Quello che ho imparato su Wind Carts - 💡 Fix My Ideas

Quello che ho imparato su Wind Carts

Quello che ho imparato su Wind Carts


Autore: Ethan Holmes, 2019

Di Mark Frauenfelder

Rick Cavallaro dimostra il suo carrello del vento.

Nel febbraio 2007, l'editor di progetti di MAKE, Paul Spinrad, mi ha inviato un link a un video di YouTube scattato da un uomo di nome Jack Goodman. Il video si apre con una donna in camicia rosa e pantaloncini blu in mezzo a una strada asfaltata da qualche parte in Florida. Si aggrappa a un carrello senza equipaggio, alto due metri e mezzo, con una grande elica montata sul retro. Non c'è motore sul carrello, ma l'elica è collegata alle ruote posteriori con pulegge e una cinghia.

La voce fuori campo di un uomo dice: "OK, 13 aprile. Luce del vento e variabile, circa 5 o 6 nodi." Un piccolo albero con una manica a vento attaccata al carrello mostra che il vento soffia dal retro verso la parte anteriore del carrello - in altre parole, il carrello è sottovento. L'uomo ordina alla donna di "dargli una spinta" e lo spinge leggermente verso il basso lungo la strada. Rotola per diversi metri, facendo un clic, poi rallenta e si ferma.

"Oh", dice l'uomo invisibile. "Ho avuto il freno di nuovo. Dagli una spinta. "La donna la spinge di nuovo e il carrello parte per la strada, questa volta prendendo una notevole velocità.

La videocamera continua a nastro il carrello mentre rotola giù per la strada. L'operatore della videocamera è in bicicletta, riprende il video mentre pedala lungo la strada rurale. Dopo un momento, il windsock smette di puntare sottovento e cambia direzione. Ora punta verso il retro del carrello. Ciò significa che il carrello sta viaggiando sottovento più velocemente del vento.

Per i prossimi tre minuti, il carrello rotola giù per la strada. L'uomo dice: "Vado 10 miglia all'ora, il vento è di circa 6 nodi." Il carro corre avanti e l'uomo dice "Fino a 13 miglia all'ora". Un minuto dopo dice " Freno acceso. "Il veicolo si ferma e il video termina bruscamente.

Il video di tre minuti di Jack Goodman è stato oggetto di un'intensa e controversa speculazione da quando è stato caricato su YouTube il 30 novembre 2006. In un articolo per Catalyst: Journal of Amateur Yacht Research Society, Goodman ha spiegato che ha costruito il suo curioso carro per risolvere un antico dibattito tra gli appassionati di vela: è possibile per un veicolo a propulsione a vento viaggiare direttamente sottovento più veloce del vento?

La risposta intuitiva a questa domanda è "ovviamente no". Immagina di lanciare un palloncino in una brezza costante. Andrà avanti alla velocità del vento (o leggermente meno, a causa di resistenza) ma è inconcepibile che potrebbe andare più veloce del vento. Come potrebbe? Se dovesse andare più veloce del vento, sarebbe oltrepassare la sua fonte di energia e spostarsi in un vento contrario, che lo rallenterebbe.

Pensa a una barca a vela che si muove sottovento. Una volta che ottiene abbastanza velocità da muoversi alla velocità del vento, la vela si allenta, perché la velocità del vento relativa all'imbarcazione è zero.Senza vento nelle vele, come mai la barca a vela potrebbe andare più veloce? Affermare che potrebbe andare più veloce del vento è come dire che potrebbe andare avanti senza vento!

La gente ha immediatamente iniziato ad attaccare il video di Goodman, dicendo che era un falso. Il video non ha una chiara panoramica della strada da percorrere, così tanti commentatori hanno accusato Goodman di trainare il carrello dietro un'auto o una bicicletta con un pezzo di lenza. Alcuni dissero che il carro si stava muovendo in discesa; altri dicevano che Goodman si stava illudendo - il windsock ha cambiato direzione a causa del propwash, non perché si muoveva più velocemente del vento.

I difensori del video di Goodman hanno detto che i detrattori non stavano pensando al problema correttamente. Non era l'elica a guidare le ruote: erano le ruote a far girare l'elica, e questa informazione critica faceva la differenza. L'energia, dicevano i difensori, proveniva dal movimento netto dell'aria sul terreno, non dal movimento netto dell'aria oltre il veicolo. A differenza di una vela che si allenta quando una barca si sposta direttamente sottovento, l'elica continuerà a girare, perché le ruote lo guidano.

Come Goodman ha scritto nel suo articolo, "La chiave per comprendere DWFTTW [Sottovento più veloce del vento], è che le ruote girano l'elica e l'elica deve solo produrre abbastanza spinta in aria ferma per superare le forze necessarie a ruotarla. ”

Gli oppositori non lo stavano comprando. Un critico ha detto "Sì, ogni volta che mi siedo in una stanza calma e senza vento, anche il pavimento scorre sotto di me."

Dopo aver digerito più di 100 commenti su YouTube e altri forum online sull'argomento, non sapevo cosa pensare. Alcuni degli argomenti pro-DWFTTW erano abbastanza persuasivi e mi convincevano quasi che Goodman aveva ragione. Ma poi ho letto un controprogetto convincente di un oppositore che mi avrebbe fatto dubitare di nuovo.

Paul, l'editore di MAKE che mi ha mandato il video, l'ha ritenuto plausibile. Ha detto: "Mi ci è voluto un po 'per capire come funziona - per me, il punto chiave è che l'elica è un'elica, non una banderuola, e quando il carrello sta rotolando, le ruote stanno alimentando l'elica , Non il contrario. Con l'ingranaggio giusto, l'elica spingerà sempre all'indietro contro l'aria, indipendentemente dal fatto che l'aria si muova in avanti o all'indietro rispetto al carrello. Il vento in coda e l'azione dell'elica si combinano per far girare le ruote abbastanza velocemente da mantenere l'intero sistema a rotazione più veloce del vento. Sicuramente controintuitivo, o una beffa per cui mi sono innamorato. "Anche lui era sul recinto, ma sporgendosi dalla parte dei credenti.

Se Goodman non stava commettendo una bufala, ho avuto molta ammirazione per lui per aver effettivamente costruito qualcosa e provato. È stato un grande esempio di esperimento scientifico fai-da-te. Ho mostrato il video al mio amico, Charles Platt, che ha scritto molti eccellenti articoli su come fare MAKE. La sua solida conoscenza della matematica, della fisica e dell'elettronica, unita a decenni di esperienza pratica nella creazione di modelli, prototipi di apparecchiature mediche, giochi e circuiti elettronici lo ha reso uno dei contributori principali della rivista.

Charles ha guardato il video e mi ha risposto via email dicendo che pensava che il video fosse fasullo. Il motivo per cui il carrello non può funzionare, ha detto Charles, è che mentre il carrello va più veloce, la forza del vento sul carrello è diminuita. "Se è un vento da 10 miglia all'ora e il carrello arriva a 8 miglia all'ora, ora c'è solo una spinta di 2 miglia all'ora. Davvero dovrebbe rallentare, ma, no, accelera! Quando corre uguale al vento, è come se un veliero fosse "beccato". Nessuna forza netta dall'aria dietro o davanti. Eppure corre ancora più veloce! "

Anche se l'intuizione informata dall'esperienza di Charles gli disse che il carro non poteva funzionare, decise di costruire il suo carro. Costruì un modello da tavolo del carrello in legno e le ruote del modello di aeroplano collegate. Costruì un'elica e la collegò all'asse posteriore con una cintura di gomma. Assicurandosi che le parti mobili fossero completamente lubrificate con WD-40, Charles mise il carrello sul suo banco da lavoro, mise una ventola da 15 pollici dietro di esso e accese il ventilatore.

"Il carrello si muoveva a malapena in risposta al ventilatore", ha spiegato Charles nel suo articolo sull'esperimento di MAKE (Volume 11, pagina 58).

Ha poi utilizzato un enorme ventilatore di ventilazione da 38 pollici e l'ha eseguito alla massima velocità. "Il carrello lo ignorò e non fece nulla". Dopo aver costruito un sudario per incanalare il vento sul carrello, osservò un movimento in avanti di 2 pollici al secondo. Almeno si muoveva, ma il vento che spingeva stava viaggiando a 30 piedi al secondo.

La conclusione di Charles era che il carrello non funzionava e che il video di Goodman era altamente sospetto. Ha scritto, "Forse Jack Goodman ha una spiegazione intelligente per questo. Forse non ho costruito la mia versione esattamente nello stesso modo in cui ha costruito la sua. Forse dovresti costruirti il ​​tuo, solo per essere sicuro. Costruire un prototipo che non funziona è sempre educativo, purché, naturalmente, siate disposti ad affrontare i fatti e ammettere che non funziona ".

Ero d'accordo con la conclusione di Charles, immaginando che Goodman avesse tirato un eccellente scherzo ai suoi amici yachtie, e che ora che il suo carretto era stato sfatato, la storia era finita.

Ma poco dopo la pubblicazione dell'articolo, un certo numero di credenti ha iniziato a intervenire sui forum Make: Online, sostenendo che Platt aveva torto, e Goodman aveva ragione. Charles ha pazientemente risposto a ogni commento. Ha difeso il suo articolo e il suo carrello, e ha persino offerto un credente, che ha usato il nome dello schermo pelesl, "1000 dollari in contanti dei miei soldi, se può dimostrare che [un carro di design di Charles] inizierà a correre più lentamente di un vento costante , accelera ad eguagliare la velocità del vento, e quindi accelererà ulteriormente per superare la velocità del vento, senza alcuna interferenza esterna, su una superficie piana, "proprio come ha fatto Goodman nel video.

Ben presto, le persone hanno iniziato a pubblicare video di YouTube dei loro carrelli a vento fatti in casa. Invece di portarli fuori al vento, però, hanno messo i carrelli sul tapis roulant. I video hanno mostrato che i carrelli, le cui eliche giravano furiosamente, si muovono nella direzione opposta della cinghia del tapis roulant. Era impressionante, ma era come testare un carrello su un terreno fermo con il vento che lo spingeva? I sostenitori del DDWFTTW hanno sostenuto che i due scenari - "movimento terra e aria ferma" rispetto a "terra ferma e aria in movimento" - erano equivalenti allo scopo di provare DDWFTTW, ma non ero sicuro. (Il fenomeno è anche chiamato Direttamente Sottovento più veloce del vento, per eliminare la possibilità di virare o inclinarsi nel vento.)

Rick Cavallaro (noto nelle bacheche sia di Spork che di Spork33) era il difensore più appassionato dei carri a vento. Ha detto che i video del tapis roulant (molti dei quali ha sparato e caricato lui stesso) hanno dimostrato che Charles sbagliava e che avrebbe dovuto pagare $ 1,000 a pelesl. Charles rispose che aveva detto che il test doveva essere condotto con il vento, non con un tapis roulant. Cavallaro alzò la posta, scrivendo: "I volontà fai esattamente ciò che suggerisci sia all'interno che all'esterno. Ma non sarà una sfida aperta. Sarà una scommessa. I tuoi $ 10K contro i miei $ 100K. Ma entrambi metteremo i fondi in un conto di deposito in garanzia congiunto da assegnare al vincitore. Pagherò poi pelesl dalle mie vincite. "

Mi chiedevo cosa avrebbe fatto un professore di fisica di tutto questo, così ho mandato via e-mail il dott. Paul J. Camp, professore nel dipartimento di fisica dello Spelman College di Atlanta, Ga. Camp mi aveva aiutato con altri rompicapo della fisica in passato e Ho apprezzato le sue chiare spiegazioni. Gli ho chiesto di dare un'occhiata al video di Goodman, così come all'articolo di Charles Platt, e ai video sul tapis roulant. "Che cosa dici?" Ho chiesto.

"Impossibile", rispose Camp. "Violare la conservazione della quantità di moto e la conservazione dell'energia ... In realtà, possiamo affermarlo in termini piuttosto nudi - per una macchina che si muove sottovento alla velocità del vento per andare un po 'più veloce è fisicamente indistinguibile da un'auto ferma a terra in aria stazionaria per saltare improvvisamente in movimento. Ciò che può essere fatto in una cornice inerziale può essere fatto in qualsiasi altra struttura inerziale con le stesse circostanze fisiche. "

La spiegazione di Camp, che era la stessa di quella di Platt, aveva senso per me. Ma non riuscivo a smettere di pensare ai video di quegli appassionati di carrelli del vento, che mostravano chiaramente i carrelli che si muovevano sulle cinture rotanti dei tapis roulant.

Ho contattato Rick Cavallaro. È il capo scienziato di una società della Silicon Valley chiamata Sportvision Inc., che crea sistemi che ricoprono gli effetti visivi generati dal computer sugli eventi sportivi trasmessi in televisione. Ha un B.S. nell'ingegneria aerospaziale di Georgia Tech e un M.S. in dinamica e controlli da UCLA.

Cavallaro mi ha detto che aveva iniziato a creare kit per gli appassionati di wind car da mettere insieme e provare da soli. Gli ho pagato $ 40 e, pochi giorni dopo, un tubo FedEx è arrivato con tutte le parti necessarie per realizzare il mio carrello: tre ruote di plastica, un tubo di alluminio pre-piegato, un'elica di plastica e alcuni ingranaggi. Ci sono voluti solo pochi minuti per assemblare il carrello, che sembrava piuttosto elegante.

Un modello DWFTTW che può essere costruito dai piani trovati qui

.

Quel giorno non c'era molto vento, quindi ho usato un ventilatore elettrico e ho provato il carrello all'interno, in un lungo corridoio. Ho acceso la ventola a tutta velocità e ho tenuto il carrello, da terra, di fronte. L'elica ruotò in senso antiorario, facendo ruotare le ruote all'indietro.

Poi appoggiai il carrello sul pavimento, con la ventola puntata dietro. Ha iniziato a muoversi in avanti e l'elica è girata in senso orario. Ciò significava che le ruote stavano guidando l'elica, come sostenevano i difensori Goodman, e non viceversa, come molti detrattori insistevano sul fatto. Quindi i fautori del carrello erano corretti su quel conteggio.

Il carrello prese velocità, ma poi rallentò e urtò contro il muro alla fine del corridoio. Questo, ovviamente, non era un buon ambiente per condurre il test, ma almeno ho imparato che il carrello poteva effettivamente muoversi in coda.

Mentre aspettavo un giorno a Los Angeles con un vento costante, così ho potuto prendere il carrello fuori, ho controllato varie bacheche e ho scoperto che il dibattito infuriava ancora più di prima. I dubbiosi dissero che il tapis roulant non era una simulazione accurata di un carro nel vento, mentre i credenti insistevano che lo fosse. A volte, i dibattiti diventano molto emotivi, con nomi e insulti. (Il mio preferito: "Sono più che fisicamente capace di prendere quel piccolo carretto e spingerlo su per il culo, di lato").

Uno dei dubbiosi, il cui nome di schermo era swerdna123, scrisse che solo una dimostrazione in galleria del vento lo avrebbe soddisfatto. Ma non c'erano acquirenti. Apparentemente, era troppo difficile per chiunque affrontare la sfida di crearne uno. Così swerdna123 si prese su di sé. La sua intenzione, come quella di Charles Platt, era di mostrare ai credenti che il carro non sarebbe andato sottovento più veloce del vento.

Il design di Swerdna123 era intelligente: una galleria del vento circolare, ricavata da un tamburo di cartone che aveva un fuso rotante con un motore che faceva ruotare i flap del vento in cerchio. Progettò e costruì un piccolo carrello ad elica per rotolare attorno al tamburo su una pista circolare. Dopo aver creato il setup, ha pubblicato diversi video su YouTube. Il carrello aveva un filo rigido che veniva via, come un'antenna radio, con una piccola bandiera di carta. Questa piccola bandiera di carta indicava la direzione della velocità del vento rispetto al carrello, proprio come il calzino del vento sul carrello molto più grande di Goodman.

Quando i flap rotanti hanno preso velocità e creato il vento, il carrello ha iniziato a muoversi. All'inizio, la bandiera puntava nella direzione della rotazione del carrello, il che significa che viaggiava più lentamente del vento all'interno del setup. Dopo pochi secondi, la bandiera pendeva verso il basso, il che significava che la macchina viaggiava esattamente alla velocità del vento. Poi, con mia sorpresa (e delizia), la bandiera cominciò a inclinarsi nella direzione opposta del movimento, e il carrello stava rotolando più veloce dei flap. Stava davvero superando il vento!

Ho contattato swerdna123 e ho saputo che il suo vero nome è Tony Andrews. È uno sviluppatore di siti Web di 58 anni e si è autodefinito "inventore nel cortile" di Christchurch, in Nuova Zelanda. (È anche un ex monopolista della Nuova Zelanda e mondiale vincitore della medaglia d'argento.) Come molti altri scettici del vento, Andrews non pensava che le dimostrazioni del carrello sul tapis roulant fossero adeguate a dimostrare la teoria DDWFTTW. Inoltre, è stato infastidito dai malumori della folla del tapis roulant: "Il loro scopo principale sembrava essere quello di insultare e incitare alla discussione".

Andrews voleva vedere un carrello del vento spostarsi dal vento, non da un tapis roulant. E dal momento che nessun altro stava affrontando la sfida, doveva prenderlo da solo. "Sebbene fossi molto impegnato con altre cose in quel momento", ha detto, "non ho potuto resistere alla costruzione e alla prova del mio equipaggiamento DDWFTTW." Ha detto di possedere "abilità meccaniche naturali" e ha "inventato e costruito molte stranezze" e meravigliose cose meccaniche come motori / pompe rotanti, sistemi di trasmissione a velocità costante, giocattoli, giochi e puzzle. "

Andrews ha detto che ha diverse idee su come migliorare il test del carrello del vento, come una galleria del vento migliore e una telecamera che si muove con il carrello in modo che sarebbe più facile confrontare la sua velocità con quelle delle pale del vento, ma che probabilmente ha vinto " t ottenere intorno a costruirli, come i suoi interessi si sono spostati. Inoltre, ha detto di aver sentito che il suo esperimento mostra che è possibile viaggiare continuamente in DDWFTTW.

Come fa il carrello a farlo? Gli ho chiesto. La sua teoria è che il carrello usa "parte della forza del vento per respingere continuamente contro il vento".

Ero sicuro che Andrews avesse risolto la questione. Ma per essere sicuro, ho inviato link dei video di Andrews a Paul Camp, il fisico dello Spelman College. Cominciò immediatamente a fare buchi nell'apparato di prova di Andrews. La carne principale del campo era che le pale del ventilatore che creavano il vento erano così vicine al carrello stesso, che il carrello veniva sottoposto a un flusso d'aria turbolento.

La viscosità dell'aria, spiega Camp, produce gradienti di velocità quando l'aria scorre oltre un bordo. "Il comportamento sarebbe anche molto particolare accanto alle pale del ventilatore in una galleria del vento lineare. In tal caso, per vedere l'effetto del solo vento, si ottiene abbastanza lontano dalle pale del ventilatore per la viscosità per smorzare il flusso turbolento. In questo caso, è impossibile arrivare così lontano. Quello che ci piacerebbe davvero vedere sono le tracce di fumo nella sua galleria del vento per vedere come sta fluendo il fluido. "

Ancora una volta, ero stato attirato su un lato del recinto, solo per essere riportato al centro. Ho iniziato a chiedermi cosa pensasse Jack Goodman riguardo a questo particolare movimento scientifico fai-da-te che aveva avviato. A parte uno o due commenti all'inizio, era rimasto zitto negli ultimi due anni.

Nell'agosto del 2009 ho ricevuto Goodman al telefono e ho saputo che era un consulente / inventore in pensione che viveva nel Maryland. Come membro della Amateur Yacht Research Society, era stato interessato al concetto di DDWFTTW per un certo numero di anni. I membri della società hanno discusso frequentemente sul fatto se DDWFTTW fosse possibile o no. Goodman non vedeva come fosse possibile, ma nel suo seminterrato aveva un bel negozio di modellini con un tornio, una fresatrice e altri strumenti da negozio, così decise che avrebbe cercato di risolvere la questione una volta per tutte facendo una carrello del vento.

Goodman inizialmente ha testato il suo carrello su un tapis roulant e ha scoperto che poteva muoversi nella direzione opposta del tapis roulant, cosa che lo ha incoraggiato. Ma voleva provarlo nel vento. Il vento e il terreno nel Maryland non avevano ragione di metterlo alla prova, così l'ha portato con sé nella sua casa invernale in Florida e ha esplorato fino a quando non ha trovato una strada pianeggiante con condizioni di vento adatta all'esperimento che voleva correre. Ha aspettato "molto tempo" perché il vento soffiasse nella giusta direzione prima che fosse in grado di condurre l'esperimento, che ha filmato e pubblicato online.

Goodman ha detto che non si aspettava che il suo video causasse un tale tumulto (non lo ha pubblicato su YouTube, fatto da qualcun altro della Amateur Yacht Research Society) e che ha avuto un enorme successo nel leggere le migliaia di post su di esso . Ha persino una risatina per essere chiamato un ciarlatano e un falso.

Ero ancora più convinto che DDWFTTW fosse reale quando ho saputo che Mark Drela, un aerodinamico di fama mondiale al MIT, dice che è possibile. Drela è designer e creatrice di una varietà di incredibili veicoli a propulsione umana azionati da propulsore. Nel 1998, Drela ha progettato un aereo a propulsione umana chiamato Dedalo, che ha stabilito un record mondiale quando ha saltato più di 72 miglia da Creta a Santorini.

Drela è anche lo sviluppatore di un sistema di analisi aerodinamica computazionale chiamato XFOIL, che consente di testare i progetti degli aeromobili prima che vengano costruiti. Un articolo su MIT's Aero-Astro la rivista riporta che Drela ha "progettato aeromobili per Boeing, l'ala per il Predator UAV, la chiglia di yacht della Coppa America e velivoli sperimentali usati dalla NASA. Oltre a XFOIL, ha scritto programmi di progettazione per velivoli ad ala rotante, pale meccaniche e corpi asimmetrici come gli zeppelin. "

In altre parole, Drela conosce le sue cose. E quindi cosa conclude la sua analisi?

"Sebbene DDWFTTW sembri violare la fisica, in realtà non funziona", mi ha spiegato Drela via email. "Le varie analisi mostrano questo, e gli esperimenti sul carrello su YouTube sono la prova definitiva. A mio parere, la demo DDWFTTW più strettamente controllata e non ambigua è il carrello che sale sul tapis roulant inclinato. Il problema principale è quindi convincere alcune persone che questo è equivalente a DDWFFTW. Ma chiunque cerchi di argomentare contro tale equivalenza in realtà sta discutendo contro la relatività galileiana, che è inattaccabile. Quindi quella discussione secondaria è una totale perdita di tempo. "

Quindi Goodman, Andrews e Cavallaro sono stati confermati. DDWFTTW è possibile.

Ma anche con l'analisi di Drela che circonda i forum web, il dibattito non morirà. L'anno scorso, Cavallaro ei suoi colleghi hanno dimostrato il carrello del vento ai dipartimenti di aeronautica e ingegneria meccanica della San Jose State University e di Stanford. Dopo quelle presentazioni, ha detto Cavallaro, un dottorato di ricerca dell'Università di Berkeley. lo studente lo ha contattato per dimostrare il carrello di Berkeley. Ha chiesto al suo professore, Dan Kammen (un consigliere di Obama e vincitore del Premio Nobel per la Pace) di avere Cavallaro a presentare il carrello del vento ai suoi studenti.

"Ha deciso che DDWFTTW non è possibile", ha detto Cavallaro. "Così fa imbrogliare alcune persone piuttosto belle."

Nel luglio 2010, Rick mi informò che lui ei suoi colleghi avevano preso un carrello sottovento che avevano costruito sul letto a lago El Mirage nel sud della California e avevano raggiunto una velocità 2,8 volte più veloce del vento. Hanno effettuato il test di fronte ai rappresentanti autorizzati della North American Land Sailing Association (NALSA). Puoi leggere l'articolo di Rick su di esso qui.

Mark Frauenfelder è caporedattore di MAKE.



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