Térmicas Toroidales, las térmicas perfectas?
Por Hernán Di Lorenzo.
Conceptos básicos
Esto, en principio es sólo una idea, que planteo aquí en este foro. Todo lo escrito en éste ensayo, no son más que las ideas que pude formar a partir de las escasas lecturas que tengo sobre estos temas. Igualmente, prefiero compartirlas, de modo que, algunos de ustedes, más experimentados, puedan refutarlas o profundizarlas. Dejo, por otro lado, casi todos los detalles técnicos operativos para ser desarrollados más adelante, con mas información disponible para su discusión.
Los que vuelan en lugares donde les sobran las térmicas, quizá lo siguiente no les resulte interesante, pero aquí, en Buenos Aires, en invierno, encontrar una térmica…
Para empezar, según tengo entendido, no es demasiado complicado “fabricar” una térmica “artificial”. En un típico campo de vuelo, el pasto al recibir la radiación solar, toma la humedad del suelo a través de sus raíces; utiliza luego la gran capacidad calorífica del agua para evitar que su propia temperatura aumente peligrosamente. De esta forma toda la superficie del campo se mantiene fresca a costas de evaporar las reservas de agua del terreno.
Bastaría entonces con cubrir el pasto con un circulo (cuanto más grande mejor) de algún material oscuro (p. ej. material de construcción, carbón, etc.; también, por otro lado habría evitar que crezca el pasto en esa zona, detalle que no tengo del todo claro como resolver). Este material oscuro absorbería la radiación solar, transmitiendo luego esta energía al aire con quien se encuentra en contacto. Ya todos conocemos el resto de la historia… Ahora, con todo esto formamos una burbuja térmica de algunos (dependiendo del radio de circulo construido) metros de diámetro.
Hasta aquí todo bien, podrían entonces “fabricarse” de forma relativamente económica burbujas térmicas de un radio suficiente de modo de poder ser giradas cómodamente.
Ahora, las térmicas que todos conocemos, de hecho las únicas que existen hoy sobre la tierra, poseen una falla aerodinámica irremediable, tienden a destruirse a si mismas. Mientras la térmica asciende, genera corrientes que le inyectan desde abajo el aire frío que la rodea (fig. 1), es decir, desplaza hacia los lados el aire frío, para luego incorporarlo desde su base, acelerando así su propia “muerte”. Al enfriarse, pierde la única fuerza que la impulsa lejos del suelo, la diferencia de temperatura con el aire donde se encuentra sumergida.
Algo nuevo bajo el sol
Todos, creo, al menos por una vez, nos hemos sorprendido al contemplar un delgado anillo de humo, alejarse de la boca de algún, quizá, empedernido fumador. En caso de haber sido suficientemente observadores, notamos también que éste poseía la capacidad de atravesar grandes distancias sin prácticamente mezclarse con el aire por el cual se abría camino. Esta notable característica de los anillos, (o toroides) les otorga una estabilidad única, que les permite, entre otras cosas, mantener su forma y velocidad mientras se desplazan. Si sopláramos el humo, sin imprimirle ésta particular geometría, observaríamos como, en poco tiempo, éste comienza a mezclarse con el aire limpio que lo rodea, desapareciendo en pocos segundos de nuestra vista. Si, en cambio, lográramos que adopte esta geometría toroidal, notaríamos como éste, además de alcanzar una mayor distancia, se conserva durante mucho mas tiempo en el aire.
Si pudiese generarse, de alguna forma, una térmica con esta geometría toroidal, las ventajas de esta sobre sus compañeras esféricas serían difíciles de perder de vista. Al no mezclarse con el aire frío que las rodea, podrían ascender con mucha más facilidad a posiblemente mayores alturas. Salvo en condiciones muy inestables (gradiente térmico pronunciado), las burbujas térmicas comunes tienen pocas expectativas de supervivencia; esto ocurre principalmente, porque su relación de mezcla con el aire frío que las rodea es, generalmente, demasiado grande. A diferencia de las anteriores, la relación de mezcla en estas geometrías toroidales es mucho menor, permitiendo que el aire caliente dentro de la misma, pueda mantener durante mucho mas tiempo su diferencia de temperatura con el exterior.
Estas nuevas térmicas, poseen, además de todo lo anterior, una importante ventaja en relación a como podemos “girarlas”. Debido a su particular geometría, podríamos cómodamente girarlas siempre sobre el núcleo de máxima ascendencia, en lugar de tener que salir y entrar constantemente del mismo. En las térmicas comunes, el núcleo de máxima ascendencia, se encuentra dentro de una limitada región, ubicado, generalmente, cerca del centro geométrico de la “esfera” térmica. Aunque, haciendo uso de nuestros conocimientos y experiencia, pudiéramos ubicar este núcleo con bastante precisión, si la térmica donde nos encontramos no alcanzara a tener un tamaño suficiente, no podríamos mantenernos siempre dentro del mismo, puesto que este tendría un radio menor al que pueden girar nuestras aeronaves [1].
En el caso de las térmicas toroidales, el núcleo de máxima ascendencia, no se trata de un “punto”, sino que se distribuye sobre todo un circulo, que recorre al toroide cerca de su radio interior. Sólo tendríamos que intentar ajustar nuestro giro, de modo que éste coincida con el radio del toroide, obteniendo de esta forma centrarnos siempre sobre la mejor “ascendencia”.
Queda sólo una importante cuestión a discutir: ¿Cómo podríamos “fabricar” una de estas maravillosas burbujas térmicas?
A primera vista, se me ocurre que quizás alcanzaría con construir una corona (fig. 2) de material oscuro sobre el campo de vuelo, en lugar de un circulo completo como en el caso anterior [2]. Luego de recibir la energía solar, la configuración de aire caliente sobre el suelo, generará una burbuja, no de geometría esférica, sino toroidal.
Posibles detalles a tener en cuenta al preparar el terreno para la fabricación de las térmicas toroidales
Para acumular el aire caliente de una forma aún más eficiente, podría plantarse una línea de arbustos bajos alrededor del circulo de material oscuro (Figura 6). De este modo, exceptuando, los casos en que el viento sea muy fuerte, el aire caliente podrá mantenerse dentro de la configuración, en lugar de ser arrastrado fuera de la misma. Cuanto más tiempo permanezca atrapado dentro de la configuración, más energía solar acumulará, generándose, al momento de desprenderse, una poderosa burbuja térmica toroidal.
Por otro lado, entrando quizá demasiado en detalle, podría también agregarse un circulo central de material aún más absorbente de la energía solar (Figura 6), de este modo, al acumularse sobre esta zona aire aún más caliente, este posiblemente se desprendería antes que el resto, otorgándole automáticamente al toroide el sentido de rotación que necesita para poder alcanzar su dinámica estable.
Dinámica del toroide
Según tengo entendido, no sería demasiado complicado entregarle al toroide un sentido de rotación “privilegiado”, como se muestra en la figura 4. Esto, en lo que concierne a nuestras aspiraciones, simplificaría la técnica que debemos utilizar al momento de aprovechar estas térmicas toroidales para ganar altura. Una vez que tenemos relativamente ubicada la posición y tamaño de la térmica, sabemos automáticamente donde se encuentran las zonas de mayor ascendencia. Evidentemente tendremos que buscarlas más cerca del radio interior del toroide; si nos alejáramos mucho de éste último, nos encontraríamos eventualmente con la corriente descendente (algo muy similar a lo que ocurre en las térmicas comunes).
Como son las térmicas?
De la información que he consultado sobre la formación de térmicas, no he podido concluir categóricamente, algo que, en lo que concierne a los temas aquí tratados, es de trascendental importancia. ¿Son las térmicas una sucesión de burbujas, una debajo de la anterior con bastante separación; o puede considerarse, dentro de una visión simplificadora, que se comportan como un “cilindro” continuo? (Ver figura 5).
Resumen de la formación de las térmicas naturales y “artificiales”
A partir de lo que tengo leído, existen al menos dos mecanismos básicos para formar una típica burbuja térmica. Suponemos primero un viento suave sobre una llanura sin demasiados contrastes, es decir, que toda la superficie devuelve, al aire con quien se encuentra en contacto, la energía recibida del sol de forma relativamente uniforme. Si se cumplen estas condiciones no existirá un lugar privilegiado para acumular aire caliente; se formará entonces una capa uniforme (unos pocos metros) de aire cálido sobre toda la región, y esta se mantendrá sujeta al suelo por la fuerza de adhesión entre ambos.
Aquí aparece un punto quizá sutil, en algunos artículos, sobre este mecanismo de formación de térmicas, se explica que la brisa mueve esta capa sobre la llanura. Esto no está mal, sin embargo podría generar cierta confusión; la geometría en cada punto de la capa de aire caliente es invariante con respecto al tiempo (considerando todas las variables externas constantes: viento, insolación, etc.). Es decir, se mueve, pero si yo tomara dos “fotos” de un sector (fig. 3) de esta capa, vería en las dos fotos la misma cosa, lo cuál no concuerda del todo, con el concepto que tenemos de movimiento.
Dejando de la lado esta acotación, pueden ocurrir, a partir de este momento dos situaciones ligeramente distintas: como muestra la figura 3 la capa laminar es desprendida del suelo por un “disparador” (casas, árboles, etc); o sencillamente, luego de recorrer suficiente superficie insolada sobre la llanura alcanza un “ancho” o “grosor” suficiente, de modo que la fuerza que ésta ejerce para desprenderse del suelo, es más grande que la fuerza de adhesión que los une.
El segundo mecanismo para la formación de burbujas térmicas, requiere la existencia justamente de una situación opuesta a la anterior. Si el terreno, no absorbe la radiación solar de forma “pareja” existirán zonas donde el suelo se caliente más que otros, estos lugares serán entonces, los candidatos para la formación de las dichosas burbujas.
Apartados:
[1] Dado que el parapente, posee ya de por si un radio de giro muy pequeño, esta consideración sería de poca importancia. Sin embargo, quedaría por analizar, si esto podría tener más trascendencia en, por ejemplo, el vuelo en ala-delta o planeador.
[2] El tamaño mínimo necesario de la superficie oscura para generar una térmica toroidal "volable" no lo tengo aún para nada claro, aproximo unos valores tentativos en la figura 2, pero todavía me falta mucha información para poder determinar si éstos son los correctos. También habría que analizar para que tipo de actividad quisieran utilizarse, es decir, está claro que un parapente necesitará de un toroide "térmico" muy distinto al que podría aprovechar un planeador.
Fig. 7 - Mas o menos así se vería una térmica toroidal desprendiendose del suelo...
