Desarrollo tempranoeditar
El principio empleado en el uso de una hélice de tornillo se deriva del esculpido. En el esculpido, una sola hoja se mueve a través de un arco, de lado a lado, teniendo cuidado de seguir presentando la hoja al agua en el ángulo efectivo. La innovación introducida con la hélice de tornillo fue la extensión de ese arco a través de más de 360° al unir la cuchilla a un eje giratorio. Las hélices pueden tener una sola hoja, pero en la práctica casi siempre hay más de una para equilibrar las fuerzas involucradas.
El origen de la hélice de tornillo comienza con Arquímedes, que usó un tornillo para levantar agua para riego y rescatar barcos, tan famoso que se conoció como tornillo de Arquímedes. Probablemente fue una aplicación del movimiento en espiral en el espacio (las espirales eran un estudio especial de Arquímedes) a una rueda de agua segmentada hueca utilizada para el riego por los egipcios durante siglos. Leonardo da Vinci adoptó el principio para conducir su helicóptero teórico, bocetos de los cuales involucraban un gran lienzo enroscado por encima.
En 1661, Toogood y Hays propusieron usar tornillos para la propulsión por chorro de agua, aunque no como hélice. Robert Hooke en 1681 diseñó un molino de agua horizontal que era notablemente similar a la hélice de eje vertical Kirsten-Boeing diseñada casi dos siglos y medio más tarde en 1928; dos años más tarde, Hooke modificó el diseño para proporcionar energía motriz a los barcos a través del agua. En 1693, un francés llamado Du Quet inventó una hélice de tornillo que se probó en 1693, pero más tarde fue abandonada. En 1752, la Academia de Ciencias de París otorgó a Burnelli un premio por el diseño de una rueda de hélice. Casi al mismo tiempo, el matemático francés Alexis-Jean-Pierre Paucton, sugirió un sistema de propulsión de agua basado en el tornillo Arquimedeo. En 1771, el inventor de máquinas de vapor James Watt en una carta privada sugirió usar «remos en espiral» para propulsar barcos, aunque no los usó con sus máquinas de vapor, ni nunca implementó la idea.
Uno de los primeros usos prácticos y aplicados de una hélice fue en un submarino llamado Turtle que fue diseñado en New Haven, Connecticut, en 1775 por el estudiante e inventor de Yale David Bushnell, con la ayuda del fabricante de relojes, grabador y fundador de metales Isaac Doolittle, y con el hermano de Bushnell, Ezra Bushnell, y el carpintero y fabricante de relojes de barcos, Phineas Pratt, construyendo el casco en Saybrook, Connecticut. En la noche del 6 de septiembre de 1776, el sargento Ezra Lee pilotó a Turtle en un ataque al HMS Eagle en el puerto de Nueva York. Turtle también tiene la distinción de ser el primer submarino utilizado en batalla. Bushnell describió más tarde la hélice en una carta de octubre de 1787 a Thomas Jefferson: «Un remo formado sobre el principio del tornillo se fijaba en la parte delantera de la embarcación, su eje entraba en la embarcación y, al girar en una dirección, remaba la embarcación hacia adelante, pero al girar en la otra, la remaba hacia atrás. Fue hecho para ser girado por la mano o el pie.»La hélice de latón, como todo el latón y las partes móviles de Turtle, fue fabricada por el» ingenioso mecánico » Issac Doolittle de New Haven.
En 1785, Joseph Bramah de Inglaterra propuso una solución de hélice de una varilla que atravesaba la popa submarina de un barco unido a una hélice de palas, aunque nunca la construyó.
En febrero de 1800, Edward Shorter de Londres propuso el uso de una hélice similar unida a una varilla inclinada hacia abajo desplegada temporalmente desde la cubierta por encima de la línea de flotación y, por lo tanto, sin necesidad de sello de agua, y destinada solo a ayudar a los barcos de vela en calma. Lo probó en el barco de transporte Doncaster en Gibraltar y en Malta, alcanzando una velocidad de 1,5 mph (2,4 km/h).
En 1802, el abogado e inventor estadounidense John Stevens construyó un barco de 25 pies (7,6 m) con una máquina de vapor giratoria acoplada a una hélice de cuatro palas. La nave alcanzó una velocidad de 4 mph (6,4 km / h), pero Stevens abandonó las hélices debido al peligro inherente al uso de las máquinas de vapor de alta presión. Sus buques posteriores fueron botes con ruedas de remo.
En 1827, el inventor checo-austríaco Josef Ressel había inventado una hélice de tornillo que tenía múltiples palas fijadas alrededor de una base cónica. Había probado su hélice en febrero de 1826 en un pequeño barco que se accionaba manualmente. Tuvo éxito en el uso de su hélice de tornillo de bronce en un barco de vapor adaptado (1829). Su barco, Civetta de 48 toneladas de registro bruto, alcanzó una velocidad de unos 6 nudos (11 km/h). Este fue el primer barco impulsado con éxito por una hélice de tornillo Arquímedes. Después de que una nueva máquina de vapor tuviera un accidente (soldadura de tubería agrietada), la policía austrohúngara prohibió sus experimentos por considerarlos peligrosos. Josef Ressel era en ese momento un inspector forestal para el Imperio austríaco. Pero antes de esto recibió una patente (licencia) austrohúngara para su hélice (1827). Murió en 1857. Este nuevo método de propulsión fue una mejora sobre la rueda de paletas, ya que no se vio afectado por los movimientos del barco o los cambios en el calado, ya que el barco quemaba carbón.
John Patch, un marinero de Yarmouth, Nueva Escocia, desarrolló una hélice de dos palas en forma de abanico en 1832 y lo demostró públicamente en 1833, propulsando un bote de remos a través del puerto de Yarmouth y una pequeña goleta costera en Saint John, Nuevo Brunswick, pero su solicitud de patente en los Estados Unidos fue rechazada hasta 1849 porque no era ciudadano estadounidense. Su eficiente diseño atrajo elogios en los círculos científicos estadounidenses, pero en ese momento había múltiples versiones competidoras de la hélice marina.
Propulsores de tornillo
Aunque hubo mucha experimentación con la propulsión de tornillo antes de la década de 1830, pocos de estos inventos se persiguieron hasta la etapa de prueba, y aquellos que resultaron insatisfactorios por una razón u otra.
En 1835, dos inventores en Gran Bretaña, John Ericsson y Francis Pettit Smith, comenzaron a trabajar por separado en el problema. Smith fue el primero en obtener una patente de hélice de tornillo el 31 de mayo, mientras que Ericsson, un talentoso ingeniero sueco que entonces trabajaba en Gran Bretaña, presentó su patente seis semanas después. Smith rápidamente construyó un pequeño barco modelo para probar su invento, que se demostró primero en un estanque en su granja Hendon, y más tarde en la Royal Adelaide Gallery of Practical Science en Londres, donde fue visto por el Secretario de la Marina, Sir William Barrow. Después de haber asegurado el patrocinio de un banquero de Londres llamado Wright, Smith construyó una de 30 pies (9,1 m), 6 caballos de fuerza (4.5 kW) barco de canal de seis toneladas burthen llamado Francis Smith, que fue equipado con una hélice de madera de su propio diseño y se demostró en el Canal de Paddington de noviembre de 1836 a septiembre de 1837. Por un accidente fortuito, la hélice de madera de dos vueltas se dañó durante un viaje en febrero de 1837, y para sorpresa de Smith, la hélice rota, que ahora consistía en un solo giro, duplicó la velocidad anterior del barco, de unas cuatro millas por hora a ocho. Smith posteriormente presentaría una patente revisada de acuerdo con este descubrimiento accidental.
Mientras tanto, Ericsson construyó un barco de vapor de 45 pies (14 m) propulsado por tornillo, Francis B. Ogden en 1837, y mostró su barco en el río Támesis a miembros de alto rango del Almirantazgo Británico, incluido el agrimensor de la Marina Sir William Symonds. A pesar de que el barco logró una velocidad de 10 millas por hora, comparable a la de los vapores a remo existentes, Symonds y su séquito no quedaron impresionados. El Almirantazgo mantuvo la opinión de que la propulsión a tornillo sería ineficaz en el servicio oceánico, mientras que el propio Symonds creía que los barcos propulsados a tornillo no podían ser dirigidos de manera eficiente. Tras este rechazo, Ericsson construyó un segundo barco propulsado por tornillos, Robert F. Stockton, y lo hizo navegar en 1839 a los Estados Unidos, donde pronto ganaría fama como diseñador del primer buque de guerra propulsado por tornillos de la Armada de los Estados Unidos, el USS Princeton.
Aparentemente consciente de la opinión de la Royal Navy de que las hélices de tornillo resultarían inadecuadas para el servicio marítimo, Smith decidió probar que esta suposición era incorrecta. En septiembre de 1837, llevó su pequeño barco (ahora equipado con una hélice de hierro de una sola vuelta) al mar, navegando desde Blackwall, Londres hasta Hythe, Kent, con paradas en Ramsgate, Dover y Folkestone. En el camino de regreso a Londres el día 25, la nave de Smith fue observada avanzando en mares tormentosos por oficiales de la Royal Navy. El interés del Almirantazgo en la tecnología fue revivido, y Smith fue animado a construir una nave de tamaño completo para demostrar de manera más concluyente la efectividad de la tecnología.
El SS Arquímedes fue construido en 1838 por Henry Wimshurst de Londres, como el primer barco de vapor del mundo impulsado por una hélice de tornillo.
Arquímedes tuvo una influencia considerable en el desarrollo de los buques, fomentando la adopción de la propulsión por tornillo por parte de la Royal Navy, además de su influencia en los buques comerciales. Las pruebas con Arquímedes de Smith llevaron a la famosa competencia de tira y afloja en 1845 entre el HMS Rattler de tornillo y el vapor de paletas HMS Alecto; el primero tiró al segundo hacia atrás a 2,5 nudos (4,6 km/h).
También tuvo una influencia directa en el diseño de otro buque innovador, el SS Gran Bretaña de Isambard Kingdom Brunel en 1843, entonces el barco más grande del mundo y el primer barco de vapor propulsado por tornillo en cruzar el Océano Atlántico en agosto de 1845.
El HMS Terror y el HMS Erebus fueron modificados para convertirse en los primeros barcos de la Royal Navy en tener motores a vapor y hélices de tornillo. Ambos participaron en la expedición perdida de Franklin, vista por última vez por los europeos en julio de 1845 cerca de la Bahía de Baffin.
El diseño de hélice de tornillo se estabilizó en la década de 1880.
Hélices sin Ejeeditar
Las hélices sin eje central consisten en palas de hélice unidas a un anillo que forma parte de un motor eléctrico en forma de círculo. Este diseño se conoce como un propulsor impulsado por llantas y ha sido utilizado por algunas pequeñas naves robóticas autoguiadas. Un barco con este tipo de hélice se conoce como buque de superficie desatornillado.
Aeronave propellersEdit
La forma de perfil aerodinámico retorcido de las hélices de avión modernas fue pionera por los hermanos Wright. Mientras que algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de aire en hélices marinas, los Wrights se dieron cuenta de que una hélice de aire (también conocida como tornillo de aire) es esencialmente lo mismo que un ala, y pudieron usar datos de sus experimentos anteriores en túneles de viento en alas. También introdujeron un giro a lo largo de la longitud de las cuchillas. Esto era necesario para asegurar que el ángulo de ataque de las cuchillas se mantuviera relativamente constante a lo largo de su longitud. Sus palas de hélice originales eran solo un 5% menos eficientes que el equivalente moderno, unos 100 años después. La comprensión de la aerodinámica de la hélice de baja velocidad era bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en diámetros más pequeños han hecho que el problema sea más complejo.
Alberto Santos Dumont, otro de los primeros pioneros, aplicó los conocimientos adquiridos de las experiencias con dirigibles para fabricar una hélice con eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis. Algunos de sus diseños usaban una lámina de aluminio doblada para las cuchillas, creando así una forma de perfil aerodinámico. Estaban muy bajocámaras, y esto, además de la ausencia de giro longitudinal, las hacía menos eficientes que las hélices Wright. Aun así, este fue quizás el primer uso de aluminio en la construcción de un tornillo de aire.