Laboratorio del Túnel de Viento

Por Yassir Zárate Méndez – 

Año con año, el viento ocasiona numerosos destrozos en todo el mundo, y de manera muy puntual en nuestro país. Particularmente sensibles son las áreas urbanas, cuyas autoridades tienen la obligación de establecer reglas de construcción que permitan mitigar o anular el efecto que puede tener este fenómeno físico en las edificaciones.

Los túneles de viento son un eficaz instrumento para anticipar posibles daños y afectaciones a las estructuras. Desde 1966, el Instituto de Ingeniería de la UNAM (II) cuenta con un laboratorio capaz de producir vientos de hasta 180 kilómetros por hora, con los que pone a prueba modelos a escala para identificar su resistencia ante “los movimientos y los efectos de flexotorsión que se presentan en los edificios”.

Quien nos explica estos detalles es el doctor Neftalí Rodríguez Cuevas, que se encuentra al frente de este espacio de investigación, y con quien El faro tuvo una charla para saber cómo se utiliza el túnel de viento para dar solución a algunos de los problemas de interés nacional.

La atmósfera y los vientos

Pero antes de entrar de lleno en la explicación del funcionamiento y utilidad de estos ingenios, conviene saber un poco más sobre las condiciones naturales que están en el origen del viento.

Rodríguez Cuevas nos recuerda que esa mezcla de elementos, compuestos y gases que es la atmósfera “se encuentra estratificada en diversas capas, con propiedades térmicas diferentes, entre las que se destaca la tropósfera, que es la porción de la atmósfera en contacto con la superficie terrestre. En la mitad inferior de ella, se producen los fenómenos meteorológicos ordinarios, provocados por cambios producidos por la radiación solar”.

Más tarde, esos cambios térmicos modifican la presión y provocan movimientos de masas de aire en corrientes convectivas, que suponen una mezcla que tiene consecuencias directas en el clima. Pero también hay “movimientos paralelos a la superficie terrestre, como brisas y vientos”, que son susceptibles de ser estudiados para saber cómo podrían afectar a las obras de ingeniería civil.

Rodríguez Cuevas añade que la presencia del viento sobre una región, que cuenta con una topografía específica, “produce la aparición de vórtices, los cuales generan diversos índices de turbulencia del viento en ráfagas”. Además, establece que debido a que la velocidad del viento induce energía cinética, “esta cambia y se transforma al encontrar obstáculos en su movimiento, como son las construcciones, que transforman parte de esa energía en energía de deformación en los edificios, y procesos disipativos”.

De acuerdo con el investigador del II, por las consecuencias que pueden tener para las personas “se han desarrollado actividades de investigación tendientes a entender el movimiento de las masas de aire y su interacción con las edificaciones”.

Para ello, se cuenta con modelos matemáticos, de los que se desprenden modelos físicos “que se colocan en túneles de viento, para crear más conocimientos necesarios para manejar la energía del viento y evitar desastres que ocurren cuando el viento alcanza altas velocidades”, nos explica Rodríguez Cuevas.

En los últimos dos siglos se concibieron los túneles de viento, que han permitido “establecer ideas claras sobre los fenómenos relacionados con la acción del viento”, puntualiza.

Hacedor de vientos

De entrada, Rodríguez Cuevas nos precisa que el primer túnel de viento fue ideado, construido y operado en 1871 por Francis Herbert Wenham, un ingeniero inglés que formaba parte de la Sociedad Aeronáutica de la Gran Bretaña. En ese túnel, Wenham probó la sustentación de unas alas que también había diseñado.

De hecho, se ha advertido la influencia de este británico en el trabajo de los hermanos Wright, quienes fueron los primeros en desarrollar una máquina voladora más pesada que el aire completamente funcional, el llamado Wright Flyer; también está documentado que Wilbur y Orville Wright construyeron su propio túnel de viento, para experimentar con sus prototipos.

¿Pero qué es propiamente dicho un túnel de viento?, le preguntamos a Rodríguez Cuevas, quien nos detalla que se trata de una herramienta para estudiar la mecánica de fluidos, “y sobre todo para poder entender cuál es la interacción entre el viento y las estructuras que se colocan dentro de los túneles. Su función es principalmente mejorar el conocimiento de la interacción, porque hasta ahora los planteamientos matemáticos dan resultados en ocasiones muy dispares con respecto a lo que se logra a través de mediciones directas”.

Para conocer estos efectos, se colocan modelos de estructuras diseñados para mantener parámetros dimensionales que contengan todas las características de la interacción del flujo. “Con base en esos parámetros, se puede extrapolar lo que sucede en los modelos a los prototipos reales. Existe un teorema en la física que permite establecer que si se manejan los mismos parámetros adimensionales en un experimento representativo de un prototipo, los resultados del prototipo son similares a los que se obtienen del túnel de viento”, refiere el investigador del II.

Las simulaciones efectuadas en el Laboratorio del Túnel de Viento se sustentan en el llamado número de Reynolds, descubierto por el ingeniero y físico británico Osborne Reynolds, “quien demostró que el patrón del flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el prototipo, si un parámetro del flujo, que es precisamente el número de Reynolds, fuese el mismo en ambos casos”, acota Rodríguez Cuevas.

Pruebas de laboratorio

El Laboratorio del Túnel de Viento se encuentra en la cara norte del basamento de la Torre de Ingeniería. Cuenta con un motor de 75 caballos de fuerza, que permite generar corrientes que alcanzan los 180 kilómetros por hora, suficientes para simular situaciones extremas que pueden enfrentar las edificaciones. Se trata de un túnel de circuito cerrado, cuya sección de pruebas mide 80 centímetros, por 1.20 metros, con una longitud de 2.4 metros.

Rodríguez Cuevas detalla que en el laboratorio se han probado modelos del Palacio de los Deportes, del puente construido sobre el río Papagayo en el estado de Guerrero, y del Museo Soumaya, entre otros proyectos.

De hecho, quien visite las instalaciones del Laboratorio podrá encontrarse con varias de las maquetas de estos y otros edificios, que se han quedado para adornar las paredes de este centro de investigación.

Añade que los estudios en túneles de viento proporcionan información para establecer la influencia de la presurización en el comportamiento de estructuras infladas; además, permiten identificar la efectividad de sistemas activos y pasivos para control de movimientos dinámicos.

“Han sido numerosos los proyectos que han llegado a este túnel, y de eso se ha aprendido cómo se da el fenómeno de interacción. Esos proyectos son patrocinados por el propio Instituto y se han hecho varios de ellos para mejorar el conocimiento de la interacción del viento contra las estructuras. De ello se ha aprovechado bastante, y hemos logrado, con lo que se ha hecho en otras partes del mundo, elaborar normas de diseño para distintos tipos de estructuras”, apunta el investigador, quien agrega que otra de las funciones que tiene este túnel es la de preparar a estudiantes. “Hemos dirigido muchas tesis de alumnos, que han querido conocer más la acción del viento sobre las estructuras”, acota.

Actualmente, el reglamento de construcción del Distrito Federal incluye una sección para diseño por acción del viento, que es resultado de los conocimientos generados en las pruebas efectuada en el túnel de viento del Instituto de Ingeniería.

Además de las evaluaciones para obras de ingeniería civil, se han hecho pruebas para aerogeneradores y para problemas de producción de energía a partir del viento, es decir, los modernos molinos de viento que aprovechan la energía eólica para producir electricidad. Asimismo, se ha utilizado para hacer mediciones de coeficientes de transmisión térmica, cuando el viento sopla en construcciones, para fines de control de temperatura en el interior del edificio.

A esto se suman algunos aspectos adicionales, no solo para construcciones, sino también para fines de interés industrial. “Por ejemplo, nos han pedido información sobre cómo se deben diseñar los sistemas de producción de energía solar para que soporten la acción del viento”, apunta.

Lo que el viento se puede llevar

La necesidad de recurrir a estos modelos obedece a los desastres causados por el viento. De acuerdo con estimaciones del investigador del II, en un año en el que abunden los ciclones, las pérdidas pueden alcanzar hasta los 60,000 millones de pesos. En un año moderado ha habido daños por 10,000 millones de pesos, e incluso en los que se da una escasa presencia de huracanes, hay afectaciones de hasta 6,000 millones de pesos.

Como referencia, Rodríguez Cuevas señala que el presupuesto de la Universidad Nacional para este 2015 fue cercano a 37,000 millones de pesos.

Pero la acción del viento no se limita a las costas mexicanas. El Altiplano central también registra una intensa actividad, como lo demuestran los tornados y tolvaneras que han asolado a la capital del país y su zona conurbada en los últimos años.

A manera de ejemplo, Rodríguez recuerda el caso de un mini tornado que en 2012 destruyó las casas de campaña de unos manifestantes que se encontraban en la Plaza de la Constitución. Con esto, recalca la necesidad de anticipar los efectos de este fenómeno natural.

De acuerdo con datos que maneja el propio investigador, referidos por compañías de seguros de Suiza, estas pagan primas de daños similares a las que cubren para reparaciones ocasionadas por sismos. “Los daños por viento son más comunes que los daños por sismos. El costo final resulta ser más o menos equivalente en un lapso grande de tiempo. Los sismos fuertes se presentan uno cada 80 años, pero los vientos ocurren cada año, y año con año el gobierno se preocupa cuando llega la temporada de huracanes”, afirma Rodríguez.

Condiciones como esta justifican que la Universidad Nacional cuente con instalaciones de vanguardia para estudiar los efectos que produce el viento. En una siguiente edición abundaremos sobre el nuevo túnel de viento con que cuenta el Instituto de Ingeniería, en alianza con entidades gubernamentales y empresas de la iniciativa privada.