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Newton y sus cálculos de vuelo

Isaac Newton fue el primer científico que se propuso realizar una teoría del drag y lift (resistencia aerodinámica y sustentación), y ésta le sirvió para predecir que volar era matemáticamente imposible. Más bien, que el ser humano nunca construiría algo que permitiera volar. 

¿En qué cálculos se basó? Básicamente empleó esta ecuación:


donde L es la sustentación, y es igual al aire que golpea en una superficie que está inclinada. α indica el grado de inclinación, ρ la densidad del aire y U la velocidad en m/s. A partir de esa expresión, llegó a que la sustentación vale (pág 288 para más info):


Es decir, para Newton el vuelo era fruto de las moléculas de aire golpeando en el fonde una de superficie y que por su ley de acción-reacción, esa fuerza elevaría el objeto. Es el procedimiento por el cual una piedra rebota sobre la superficie del agua, por lo que a menudo se denomina a este error histórico skipping stone theory. Las lagunas que tenía este modelo están resumidas aquí.

Le salían valores de sustentación bajísimos, e incluso su teoría estuvo apoyada por otro científico que tradicionalmente le llevó la contraria, como D'Alembert. Concretamente, este francés en 1752 realizó unos cálculos que le llevaron a formular la paradoja de D'Alembert, la cual decía que un cuerpo moviéndose a velocidad constante en un fluido incompresible y no viscoso, no tenía resistencia aerodinámica. Sin embargo, tal y como se ha demostrado en los siglos posteriores, también se equivocaba.

Newton realmente lo que calculó fue el agua que golpea a una tabla de surf. La relación entre la densidad del agua y el aire es de 1000, y por lo tanto volar en el aire requiere unas 30 veces más de velocidad que hacerlo en el agua.

No fue hasta que los hermanos Wright en 1903 hicieron el primer vuelo a motor de la historia que los matemáticos corrigieron la fórmula de Newton, aunque en esta ocasión, tampoco fue estrictamente la fórmula correcta.

Para comprender la explicación correcta de vuelo de manera sencilla, recomiendo pasar por el blog de @emulenews y leer sus dos entradas Bernouilli no explica por qué vuelan los aviones y El efecto Coanda en una cuchara y cómo funciona el ala de un avión







Ciudad 30 ó 50

Es posible que la ciudad en la que viváis hayan impuesto el límite urbano de velocidad en 30 km/h para todo tipo de vehículos, en lugar de los tradicionales 50 km/h. Eso ocurre en la ciudad del que escribe, por ejemplo.



Según parece, esta iniciativa proviene de la Comisión Europea y es una iniciativa ciudadana recogida en 2012. Más información aquí. Esta información y los beneficios de esta iniciativa están ampliados en páginas dedicadas a ello, como http://es.30kmh.eu/, donde viene más información sobre la iniciativa.

Algunas de las ventajas que se abanderan a la hora de defender esta iniciativa son:
 - no tener que invertir grandes cantidades de dinero para llevarla a cabo
 - mejora de la seguridad del peatón en la ciudad
 - ahorro del consumo en ciudad
 - reducción de la contaminación
 - descenso del nivel de decibelios

En algunas ciudades, como en la mía, a estas ventajas han añadido la de convertir las carreteras en carriles bici aprovechando la reducción de velocidad. Pero también me ha tocado pasar muchas horas pensando en iniciativas de tráfico y su gestión, y este artículo del blog va de ello. La idea del límite a 30km/h se basa en la idea de que reducir el límite de velocidad en vía urbana tiene los mismos efectos que reducirlo en autopista, pero se demuestra (según el modelo matemático empleado) que algunas emisiones por ejemplo pueden multiplicarse (fuente).

Una de las científicas de referencia que tenía en mi bibliografía era Eva Ericsson, investigadora en Suecia. Realmente no se centraba en el modelado de motores, sino en la relación entre las variables de conducción y los hábitos de los conductores. De sus trabajos se sacan algunas conclusiones interesantes. Sin embargo, no debemos perder de vista que el modelado de emisiones y consumo de un vehículo no es nada sencillo y no hay una ciencia exacta al respecto (fuente). Y menos si tenemos en cuenta vehículos de distinta antigüedad, hábitos de cada conductor, tipo de recorrido que lleva, mantenimiento del vehículo, etc.

Además, realizar estudios válidos y rigurosos sobre tráfico es bastante complejo. Se necesita analizar una gran casuística y con un número grande de voluntarios. Para realizar experimentos válidos es muy habitual emplear los ciclos de conducción, de los que ya se habló en este blog hace un tiempo (1 y 2).

Para comenzar, adjunto una gráfica sobre la relación entre emisiones contaminantes y velocidad media de un vehículo ligero (tal y como dice la fuenteaverage speed emission functions for a typical light-duty catalyst equipped vehicle).


En general, vemos que aumentan con la velocidad. Sin embargo, las revoluciones del motor también afectan enormemente al consumo y emisiones. Es decir, si asumimos que un conductor circula a 4.500 rpm a 30km/h y otra persona a 1.800 rpm a 50km/h, tendrá muchísimo peor rendimiento la primera opción. Pero no todo se simplifica a esta frase: la ciudad 30 solo es efectiva si circulas en la marcha correcta. NO.

Los mapas motor de los vehículos son tridimensionales, y al binomio RPM - Consumo de combustible, tenemos que añadir la carga sobre el acelerador (cuánto pisamos). Un ejemplo de esa gráfica son las siguientes:




Y este mapa 3D es distinto para cada motor. Por lo tanto, para poder comparar entre la bondad de un límite de velocidad u otro habría que tener en consideración estos tres factores a la hora de ver consumo de combustible y emisiones.

Hay una excepción a esto, y es que el párrafo anterior se cumple para velocidades inferiores a 60 km/h, ya que a partir de esta velocidad el factor más determinante en el consumo de combustible es la resistencia aerodinámica. ¿Cuál es la conclusión de todo esto? No tengo argumentos técnicos para afirmar que a 30 km/h se vayan a reducir las emisiones y el consumo de combustible sin realizar un estudio detallado de una zona urbana... pero tampoco los tienen los gestores que implantan la Ciudad30.

Como se puede imaginar, en un entorno urbana con tantos tramos de conducción transitoria, acelerones, semáforos, peatones... es bastante difícil realizar un estudio concluyente. Es por estas razones por las que se echa mano de simuladores de conducción, donde sí que se pueden controlar mucho más fácilmente variables como la carga sobre el acelerador, y es difícil estimar el impacto de las políticas de tráfico, tal y como cita este artículo. Además, lo que ocurra en una zona urbana en un país en particular no tiene por qué ser extrapolable a otro, ya que depende de bastantes parámetros y de la intervención del factor humano.

Este estudio, por ejemplo, afirma que it is unlikely that imposing strict speed limits in urban areas has a significant influence on emissions of NOx or CO2 (fuente).

En este artículo de The Guardian hay pros y contras de estudios realizados en zonas distintas y su influencia sobre los accidentes. O este otro estudio muestra datos de congestión de ciudad que hay que tener en cuenta.

Al final de este artículo dejaré más enlaces con estudios referentes a la influencia de distintas variables en la conducción. Sin embargo, no puedo terminar el artículo sin agradecer a @GuilleAlfonsin su ayuda y contribuciones.




http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId=627123&fileOId=1266930
http://www.tft.lth.se/fileadmin/tft/dok/KFBkonf/1ericsson.PDF
http://www.epa.gov/ttnchie1/conference/ei20/session8/acattivera.pdf
http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/111111111/22474/1/co2_report_jrc_format_final2.pdf
http://www.monash.edu.au/miri/research/reports/muarc276.pdf
https://www.vito.be/Lists/ScientificOutput/Attachments/3239/58808845.PDF
http://www.tft.lth.se/fileadmin/tft/dok/KFBkonf/1HoglundNiitymeki.PDF
http://acrs.org.au/files/arsrpe/RS010036.pdf


Coriolis y los huracanes

Uno de los conceptos que más desconcierta a los alumnos a la hora de aprender conceptos sobre Mecánica Clásica es la de fuerzas ficticias. Se entiende por Mecánica Clásica la que ocurre con objetos de la escala a la que estamos acostumbrados, ya que a nivel de las partículas, se dan otros efectos.

La idea de fuerzas ficticias y fuerzas reales tiene que ver con el sistema de referencia que usamos para entender el entorno. Es decir, no es lo mismo que fijemos como origen de coordenadas a una persona en el andén de una estación, o a una persona que viaja en un tren. Dentro de los conceptos de este tipo de fuerzas, una de las más conocidas es la provocada por la aceleración de Coriolis, la cual se da en sistemas que están rotando. Concretamente, esta fuerza sirve para explicar el sentido de giro de los huracanes.

Estos fenómenos meteorológicos giran en sentido anti horario en el hemisferio norte, y en sentido horario en el hemisferio sur. Vamos a ver en qué consisten y cómo se demuestra este efecto con las fórmulas que un alumno cualquiera pueda ver en clase:

Pensemos que el hemisferio norte lo convertimos en un disco plano. Lógicamente, sigue girando. Un huracán es una zona de baja presión, lo cual atrae a los vientos de su alrededor.


Es decir, lo más normal sería que el viento que baja del norte o el viento que sube del sur fueran en línea recta. Sin embargo, no es del todo correcto. Para ello, pensemos en un sistema de coordenadas tal que así donde la pantalla representa el plano X-Y, y Z es el plano perpendicular. Es decir:

La velocidad de giro de la Tierra en ese sistema tiene componente Z únicamente, y su valor es w. La aceleración de Coriolis (llamada así en honor al científico francés Gaspard de Coriolis, 1792–1843) tiene la fórmula de un producto vectorial de la forma:

Acel Coriolis = 2 · w x velocidad

El producto vectorial es una sencilla operación. Pensemos en el viento que sube del sur, el cual tiene una velocidad v. Al hacer el producto vectorial entre esa velocidad y la velocidad de rotación de la Tierra, nos aparece una aceleración de Coriolis con sentido X positivo. Es decir, eso significa que se está desviando hacia la derecha. En cambio, un viento que baje del norte, en el producto vectorial va a tener un sentido Y negativo, lo cual implica que se desvía hacia la izquierda, tal y como aparece en la siguiente imagen:


Y como el centro de bajas presiones sigue atrayendo a los vientos, se terminará formando esto:


Lo cual provoca que el huracán gire en sentido antihorario en el hemisferio norte, y en sentido horario en el sur. La fuerza por efecto Coriolis se consigue al multiplicar la aceleración por la masa. Para que este efecto sea perceptible, la masa de aire ha de ser muy grande, por lo que el efecto Coriolis no se puede apreciar en desagües de grifos ni pequeños recipientes, tal y como circula en muchos vídeos de la Red.

Para más información y profundización, recomiendo este vídeo educativo del MIT.




Artículo original aparecido aquí.

Permisos de Android sospechosos

Usar una señal de WiFi privada sin consentimiento del dueño es delito y está tipificado. Sin embargo, lo más habitual es que la seguridad que tiene esa red no sea la mejor, y hay muchas aplicaciones de móvil que tienen almacenadas las claves por defecto de muchos routers. En este artículo voy a hablar de las de Android, y una de las más conocidas es WifiPassword



Pero no solo hay una aplicación que haga esto, sino muchas más. Eso sí, los permisos que piden unas aplicaciones y otras no son los mismos. Los de WifiPassword:

- consultar tu historial y tus marcadores web
- buscar cuentas en el dispositivo
- ubicación aproximada (basada en red)
- ubicación precisa (basada en red y GPS)
- modificar o eliminar contenido del almacenamiento USB
- probar acceso a almacenamiento protegido
- ver conexiones Wi-Fi
- consultar la identidad y el estado del teléfono
- ver conexiones de red
- conectarse a redes Wi-Fi y desconectarse
- acceso completo a red
- ejecutarse al inicio
 
 
¿Hacen falta todos esos? Veamos otra app con la misma funcionalidad: Contraseñas WiFi
 
- ver conexiones Wi-Fi
- ver conexiones de red
- acceso completo a red
- conectarse a redes Wi-Fi y desconectarse
- controlar la vibración




- ver conexiones Wi-Fi
- acceso completo a red
- ver conexiones de red



- Recuperar aplicaciones en ejecución
- buscar cuentas en el dispositivo
- ver conexiones Wi-Fi
- acceso completo a red
- ver conexiones de red
- conectarse a redes Wi-Fi y desconectarse
- mostrar sobre otras aplicaciones
- impedir que el dispositivo entre en modo de suspensión
 
 
 
- modificar o eliminar contenido del almacenamiento USB
- probar acceso a almacenamiento protegido
 
 
 
- modificar o eliminar contenido del almacenamiento USB
- probar acceso a almacenamiento protegido
- ver conexiones Wi-Fi
- consultar la identidad y el estado del teléfono
- ver conexiones de red
- conectarse a redes Wi-Fi y desconectarse
- acceso completo a red
 
 
La descripción de esas aplicaciones promete que realizan la misma función, pero (a fecha de la creación del artículo), los permisos son muy dispares unos de otros.
 
En resumidas cuentas: mucho ojo con los permisos a la hora de bajaros cualquier app de móvil. Hay algunos consejos, aunque solo sirven de orientaciones:
 
- Descargar aplicaciones solo del repositorio oficial.
- Si hay varias opciones, elegir la que tenga mayor número de descargas u opiniones
- Ser crítico con la función de la app y los permisos que pide.
- No rootear el teléfono a no ser que sea imprescindible.
 
 
Chema Alonso recientemente escribió un buen post sobre estos permisos. Pedir permisos extraños no es ilegal y sólo es denunciable en el caso de que tengas pruebas de que se están usando unos permisos para actividades ilegales. De manera muy sencilla y rigurosa se explica todo esto en el 4º capítulo de Mundo Hacker TV.
 

Neil Armstrong y la ingeniería

Este agosto se cumplirán ya 2 años desde el fallecimiento del primer hombre que pisó nuestro satélite natural. Por supuesto, estoy hablando de Neil Armstrong.

No me quiero alargar mucho sobre la figura de este explorador del siglo XX, y mejor que contároslo yo, os recomiendo leer sobre el héroe silencioso que fue Armstrong (y aquí), y que probablemente fue una de las razones para que fuera designado para ser el primer hombre en pisar la Luna en lugar de Aldrin



Pero no, hoy traigo un homenaje que hizo Armstrong a la ingeniería. A esta profesión fue la que se dedicó en cuerpo y alma tras abandonar la NASA, dando clases en distintas universidades, alejado de las entrevistas y los focos.




Visto aquí, donde podéis encontrar la traducción del vídeo.

¿Quién fue Roland Garros?

Hoy se celebra la final del prestigioso torneo de tenis en tierra batida: Roland Garros. Sin embargo, a pesar de lo que dicta la lógica, Roland Garros no fue un tenista, ni siquiera un político francés, sino que fue un piloto de aviones y uno de los primeros pilotos de guerra de la historia. Además, tuvo una aportación muy importante en la ergonomía de estos aparatos.

En los comienzos de la aviación, no solo era difícil que el aparato volara, sino que también era clave un buen manejo del aparato. Los ingenieros tuvieron que hacer frente a que los pilotos volasen a altas alturas, con lo que ello suponía al organismo, o que tuvieran que estar centrándose en distintos mandos al mismo tiempo, o en que yendo a alta velocidad y en las alturas no podían hacer los movimientos con la misma fuerza y rapidez que en tierra, etc. Éste es un buen libro que ilustra esos problemas.

Roland Garros fue un piloto francés que ingresó en el ejército del aire de este país en los albores de la Gran Guerra. El avión ya se había usado como arma en otros conflictos bélicos, y estaba cambiando el arte de la guerra. Para estos años, unos pocos ya se estaban preguntando sobre cómo disparar a través del rotor (la hélice del avión) sin dañar ésta. 

En diciembre de 1914, Roland Garros visitó el taller de Morane-Saulnier, el cual era un herrero de la época. Fruto de este encuentro, Garros incorporó a su avión Morane-Saulnier L el invento: consistía en un refuerzo de metal en las aspas de la hélice que hacía que se desviasen las balas de la ametralladora que impactaban contra ella



En parte gracias a esto, a Garros se le recuerda como el primer hombre que derribó un avión en el aire, el 1 de abril de 1915 (fuente). Semanas más tarde, el héroe francés fue derribado desde tierra, y cayó en el lado de la frontera alemana, en territorio enemigo. No consiguió destruir su avión antes de ser capturado prisionero. La leyenda dice que los alemanes se quedaron tan sorprendidos con la idea de Garros, que la cogieron y mejoraron. El piloto que se encargó de ello fue Anthony Fokker, al cual se le atribuye un sistema de ametralladora sincronizada con la hélice, al estilo del que se puede ver en el siguiente vídeo:



El torneo de tenis de París se lleva celebrando desde 1891. Por aquel entonces, se llamaba "Abierto de Francia". Entonces ¿cuándo cambió de nombre? En 1927, los franceses dieron una de las mayores campanadas deportivas del sXX al ganar la copa Davis. El gobierno francés se dio cuenta de que necesitaba un estadio de tenis más grande para estos honores y nivel de tenis, así que adquirió unas hectáreas. La única condición en la cesión de tierras, fue que las pistas se llamaran Roland Garros (fuente).

 
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