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Oct 25, 2023

¿Los orificios de ventilación en los carteles marcan la diferencia? Usamos un túnel de viento para averiguarlo.

Profesor de Ingeniería Civil, Universidad de Queensland

Profesor de Ingeniería Civil, Universidad de Queensland

Profesor de Robótica, Universidad Tecnológica de Queensland

Matthew Mason recibe fondos del Australian Research Council y del Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

Jonathan Roberts es investigador asociado del Centro Australiano de Visión Robótica y cofundador de la competencia de robots voladores UAV Challenge.

La Universidad Tecnológica de Queensland y la Universidad de Queensland proporcionan financiación como miembros de The Conversation AU.

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La próxima vez que vea una pancarta colgada en una calle o en un puente, o izada como parte de una marcha callejera, protesta o manifestación, mire más de cerca. Es posible que vea que la pancarta tiene agujeros o hendiduras cortadas.

Pero, ¿por qué alguien cortaría agujeros en una pancarta en perfecto estado?

Estos son los llamados "respiraderos de viento", y por alguna razón la gente ha estado mutilando sus pancartas con estos agujeros en la creencia de que su presencia reducirá significativamente la carga de viento en la pancarta.

Pero, ¿realmente una pancarta con agujeros o hendiduras tiene más facilidad con el viento que una pancarta equivalente sin agujeros?

No se sabe cuándo la gente empezó a hacer agujeros en sus pancartas. Hay muy poco escrito sobre la práctica, y gran parte del conocimiento parece provenir de boca en boca o se ha transferido de otros dominios relacionados con el viento.

Lo que es obvio de los sitios web de los fabricantes de letreros y pancartas del mundo es que están frustrados por tener que hacer agujeros en sus creaciones hechas con amor.

Algunos fabricantes de pancartas simplemente se niegan y les dicen a sus clientes que si quieren agujeros, pueden cortarlos ellos mismos.

La aparente importancia de las rejillas de ventilación de pancartas ha llevado a algunos gobiernos locales de todo el mundo a hacerlas obligatorias para las pancartas instaladas en ciertos lugares. ¡No se permiten orificios de ventilación, no se permiten pancartas!

El reglamento del Ayuntamiento de Brisbane, en Queensland, Australia, establece que para que se instalen pancartas en el icónico Story Bridge de la ciudad, "deben estar provistos de orificios de ventilación" y que "los orificios de ventilación (ventilaciones) deben estar espaciados en intervalos de aproximadamente 3 m".

La pequeña localidad de Springville, Utah, EE. UU., establece en su reglamento que al menos el 20 % del área de la pancarta debe estar formada por agujeros. Sugiere "ventilaciones en forma de media luna de 4 a 6 pulgadas de ancho y mirando hacia abajo en toda la pancarta".

Para comprender qué hacen, si es que hacen algo, las rejillas de ventilación para nuestras pancartas, debemos visitar el trabajo de los especialistas en aerodinámica.

En 1956, BG de Bray, un experto en aerodinámica del Royal Aircraft Establishment del Reino Unido, realizó una serie de pruebas en túnel de viento para mostrar cómo se comportaban las placas planas con agujeros en una corriente de aire en movimiento. Estaba interesado en cómo las placas podrían usarse para los frenos de aire en los aviones cuando aterrizan.

Sus experimentos mostraron que las perforaciones (agujeros) hacen que el flujo de aire sea más estable, pero que "solo hubo una reducción comparativamente pequeña en el coeficiente de arrastre". Muestra un gráfico que registra la relación entre el área de los agujeros y el cambio en el coeficiente de arrastre de una placa plana. El gráfico indica que hacer agujeros en el 20 % del área de una pancarta reducirá la resistencia en alrededor de un 5 % con un viento de 150 km/h.

Cuando consideramos el otro hallazgo de De Bray, que los agujeros hacen que el flujo de aire sea más estable, podemos ver un ejemplo común de esto en acción en paracaídas redondos.

Las estructuras flotantes que se llenan de aire en el lado de barlovento, como los paracaídas redondos, se vuelven inestables cuando no hay agujeros en la estructura. El aire tiende a derramarse casi al azar desde el borde de la estructura. Esto hace que la estructura se mueva con el viento de una manera aparentemente aleatoria.

Esto fue descubierto en los primeros días del desarrollo del paracaídas. A finales de 1700, varios desarrolladores de paracaídas murieron debido a accidentes relacionados con sus paracaídas inestables y oscilantes.

En 1804, el francés Joseph Lelandes inventó el ápice de ventilación, un agujero en la parte superior del paracaídas. Esto pareció resolver el problema de la estabilidad pero no pareció reducir la resistencia, ideal para lanzarse en paracaídas donde se necesita resistencia.

Desde entonces, se han realizado muchos estudios que muestran los beneficios de los agujeros en los paracaídas redondos. Un grupo incluso descubrió durante sus experimentos que los orificios de ventilación en los paracaídas redondos aumentan ligeramente la resistencia del paracaídas y lo hacen más estable.

Siguiendo los pasos de de Bray, decidimos realizar experimentos en túneles de viento para evaluar cuánto impacto tenían esos agujeros en las fuerzas del viento.

Realizamos una serie de experimentos simples en los que pusimos versiones a escala de pancartas en un túnel de viento y medimos las fuerzas del viento. Hicimos esto para un rango de velocidades de viento y número de respiraderos (agujeros). Luego medimos cómo cambiaron las fuerzas de una prueba a otra.

Realizamos experimentos en los que las rejillas de ventilación eran agujeros rectangulares cortados en la tela y otros en los que las rejillas de ventilación eran agujeros rectangulares cortados en tres lados y se les permitía articularse en la parte superior (aletas).

Las velocidades experimentales del viento probadas oscilaron entre aproximadamente 25 km/h y 100 km/h y el rango de la relación entre el área de los orificios de ventilación y el área total de la pancarta (porosidad) evaluada fue de cero (sin agujeros en la pancarta) a aproximadamente el 20 %, lo que coincide con Springville. reglamentos y hace un bonito estandarte sagrado.

Un valor de 1 en la figura (arriba) indicaría que las ventilaciones no han hecho nada y un valor de 0,9 sugeriría que ha habido una reducción del 10 % en la carga.

Está claro que las rejillas de ventilación reducen la carga del viento en una pancarta, pero como mostró de Bray, la reducción de la carga es relativamente pequeña hasta que la porosidad se vuelve grande.

La reducción en la fuerza de arrastre es mayor para agujeros y aletas articuladas que la encontrada por de Bray (y otros) para placas o telas uniformemente perforadas.

La velocidad del viento marca la diferencia. A velocidades de viento bajas, la presencia de rejillas de ventilación puede aumentar la carga de viento en una pancarta, que en nuestra prueba resultó ser de hasta un 5 %.

Sin embargo, en general, los coeficientes de fuerza disminuyeron a medida que aumentaba la velocidad del viento. Este fue particularmente el caso de las pancartas con solapas, donde estas ventilaciones se abrieron más a medida que aumentaba la velocidad del viento.

Entonces, el tipo de ventilación hace una gran diferencia. Las pancartas con agujeros en lugar de solapas con bisagras experimentaron cargas de viento más bajas. Ambos tipos de ventilación experimentan cargas más bajas que las placas uniformemente perforadas, que funcionan de manera similar a las telas de malla porosa.

Con estos puntos en mente, volvemos a las normas del Ayuntamiento de Brisbane para la colocación de pancartas en el Storey Bridge. Ahora es posible calcular el efecto de sus respiraderos prescritos.

Si asumimos que les gustarían los agujeros, y el tamaño máximo de una pancarta es de 18 m de ancho por 0,9 m de alto, entonces nuestra mejor estimación es un radio de agujero semicircular de 25 cm, teniendo en cuenta también que se requieren cinco agujeros de viento. Calculamos que como máximo, el 3% del banner serán agujeros.

Interpolando nuestra cifra, esto nos daría una reducción del 2% en la carga del viento. Una señal del 98 % del área del máximo tendría 18 m de ancho y 0,88 m de altura y solo requeriría que recorte 2 cm de la parte inferior de la señal para crear una señal de arrastre equivalente a la que tiene cinco agujeros. Apenas parece valer la pena el esfuerzo.

La ciencia nos muestra que las estructuras planas se comportan de una manera y las estructuras llenas de aire que se hinchan se comportan de otra manera. Parece que nuestros legisladores se han confundido y aplicado resultados de paracaídas a pancartas planas.

Si tiene una pancarta atada de tal manera que permanecerá relativamente plana con el viento, entonces parece que los beneficios de colocar ventilaciones son mínimos a menos que convierta su pancarta en queso suizo.

Simplemente es mejor hacer un banner ligeramente pequeño para lograr la misma reducción de carga.