Si hago girar una turbina en el espacio, ¿continuará produciendo energía para siempre?

Una turbina es, por definición, una máquina con al menos 1 parte (un rotor) girando en relación con otra parte (un estator). Para producir energía, esa rotación debe usarse para producir energía de algún tipo: electricidad, sonido, calor, etc. Cuando el rotor se hace girar inicialmente, se imparte una cierta cantidad de momento angular (energía de torsión) al rotor en relación con el estator . Cualquier energía que se elimine del sistema (la turbina) reducirá el momento angular del rotor en relación con el estator. Esto incluye energía térmica (calor) de la fricción de los cojinetes (NO hay cojinete sin fricción). Si hubiera rodamientos sin fricción y no se eliminara energía del sistema, el rotor continuaría girando para siempre, pero no se produciría energía. Tan pronto como se eliminara la energía de la turbina, el rotor se ralentizaría y si la eliminación de energía continuaba lo suficiente, el rotor dejaría de girar en relación con el estator. Fin de la historia.

No ha especificado los detalles de su turbina, pero presumiblemente tiene componentes de estator y rotor, imanes permanentes, bobinas, etc.

La turbina eventualmente perderá energía y momento angular debido a la radiación electromagnética.

Un modo de emisión de radiación electromagnética sería directo: hay objetos en aceleración en la turbina que tienen campos eléctricos y magnéticos que no desaparecen.

El otro modo sería la disipación de la energía de las corrientes parásitas en las superficies conductoras de electricidad de la turbina en una mayor vibración molecular, es decir, calor. Este calor nuevamente se ‘disiparía’ eventualmente en el espacio en forma de radiación electromagnética.

La clave aquí es que cantidades como energía, momento angular y momento lineal se conservan para sistemas cerrados . Lo que define un sistema como cerrado depende de qué aspectos de él pretendemos estudiar.

Una turbina descrita como un conjunto de cuerpos rígidos es un sistema cerrado dentro de los ámbitos de la resolución idealista de problemas en la mecánica clásica.

Una turbina del mundo real descrita como un conjunto de cuerpos rígidos no es un sistema cerrado con el propósito de considerar fenómenos electromagnéticos; una turbina del mundo real, sus grados internos de libertad de traslación, vibración y rotación, y el campo electromagnético sobre todo el espacio forman el sistema cerrado.

Esto realmente equivale a lo que es solo una pregunta de “truco”.

“Si giro …” lo dice todo. La fuente inicial de la energía vino de alguna parte (usted, en este caso).

Entonces, has hecho girar un objeto en un entorno casi sin fricción, donde continuará girando, de acuerdo con la Primera Ley del Movimiento de Newton, hasta que una fuerza opuesta actúe sobre él para desacelerarlo.

“Producir energía” crearía una fuerza tan opuesta y agotaría rápidamente la turbina de la energía cinética que le agregaste.

Además, al hacerlo, esto ejercería fuerzas de torque en el estator del generador, que se transferirían a lo que sea (si es que hay) en la turbina, dependiendo de sus masas relativas.

Entonces, la respuesta es no, porque nunca estaba produciendo energía en primer lugar.

Aquí hay un experimento divertido y fácil que puede hacer para tener una idea de por qué la turbina no girará para siempre, incluso si sus cojinetes no tienen fricción. Obtenga un segmento corto de, por ejemplo, un tubo de cobre de 3/4 “y un imán fuerte de un viejo altavoz o disco duro. Deje caer el imán en el tubo y observe el movimiento del imán. Lo que ves es que el imán flota lentamente a través del tubo.

Entonces, ¿qué está pasando aquí? Cuando el imán cae, arrastra su campo magnético a través de la superficie del tubo de metal causando corrientes eléctricas alrededor de la circunferencia del tubo. Esta corriente a su vez genera un campo magnético en la dirección opuesta al campo magnético que creó la corriente. Los dos campos magnéticos se oponen entre sí, creando una fuerza que ralentiza el imán. El movimiento encuentra un equilibrio que equilibra la fuerza de gravedad y la fuerza de desaceleración de la interacción electromagnética del imán y el tubo.

La conclusión es que las turbinas tienen una especie de fricción electromagnética causada por el mismo proceso que convierte su rotación en electricidad. Sin la fuerza impulsora del vapor o lo que sea que esté impulsando la turbina, la rotación se ralentizará y detendrá rápidamente.

No Veo por qué piensas que funcionaría; piensas que dado que el espacio es prácticamente libre de fricción, el giro nunca se detendría.

Pero … (porque siempre hay un pero) si piensas en qué es la conservación del impulso, verás que es solo un caso especial de la conservación de la energía. En este caso, la energía cinética que se utilizó para comenzar a girar. Ahora, si su turbina tiene un generador conectado, convertirá esta energía cinética en electricidad, por lo tanto, la energía cinética se agotará lentamente y la turbina se detendrá.

En la práctica, la turbina (o, para ser exactos, el generador) genera electricidad al tener imanes permanentes en la circunferencia de la turbina y bobinas fijas de núcleo de ferrita cerca de los imanes. Cada vez que un imán pasa por una bobina de núcleo de ferrita, genera electricidad y, mientras tanto, el imán arrastra la bobina, lo que ralentiza un poco la turbina. Ahora, si tiene algo que impulsa la turbina (es decir, agua, vapor, etc.), seguirá girando, y la corriente propulsora se ralentizará un poco, pero si no se impulsa, la rotación seguirá disminuyendo. hasta que se detenga.

Si hace girar una sección de turbina de una turbina eólica en el vacío, entonces sí, continuará girando para siempre, siempre que no interactúe físicamente con ningún otro objeto o partícula.

Sin embargo, la consideración principal sería que esto no produciría energía, ya que no está físicamente conectada a la unidad de generación de energía que convierte la energía cinética en energía eléctrica y, por lo tanto, no hay una transferencia o conversión de energía significativa. Desafortunadamente, tan pronto como conecta físicamente dos objetos en movimiento, en este caso el eje de transmisión al generador eléctrico, introduce fricción, lo que resulta en la pérdida de energía cinética en forma de energía térmica, y como resultado de esta pérdida de energía, la turbina finalmente se detendrá.

¡Espero que esto ayude!

No soy físico, pero aquí está mi opinión.

Tu corazonada es correcta. No existe una máquina de “movimiento perpetuo”. Cualquier energía gastada en el trabajo disminuirá de cualquier energía cinética existente.

Para hacer girar una turbina en el espacio, primero debes acelerarla a una velocidad determinada. Una vez que lo haya acelerado a una velocidad determinada y lo “suelte”, continuará girando prácticamente para siempre (Todas las demás cosas son iguales, sin otros objetos alrededor, etc., etc.).

Ahora poseerá una cierta cantidad de energía cinética y la cantidad es estable / fija. Su estado natural / neutral será girar. Su aceleración será = 0 y, como tal, las matemáticas funcionan.

Sin embargo, la turbina no podrá hacer ningún “trabajo”. En el momento en que “conectas algo” / tratas de aprovechar la energía, la energía cinética se convertirá en trabajo, el giro disminuirá y finalmente se detendrá.

Ayuda donde? Su análisis es perfecto en el sentido de que la turbina continuará girando a menos que un par externo actúe sobre ella. Sin embargo, si intenta extraer trabajo de él, deberá aplicar un par externo que disminuirá su rotación de acuerdo con las leyes de conservación de energía Y momento angular.

En última instancia, el impulso angular que pierde la turbina giratoria irá a algún lado a medida que se desacelera. Cómo lo haga dependerá de cómo intente extraer energía de su turbina. Si intenta hacer algo eléctrico, supongo que una gran parte de él se irradia como ondas electromagnéticas (que pueden transportar un momento angular).

Esto es bastante simple, si lo piensas.

Si hace girar una turbina, sola, sin generar energía, en un “espacio” teórico que tiene un vacío perfecto y una microgravedad cercana a cero, girará básicamente para siempre. Mira los planetas. Siguen girando y lo han hecho durante miles de millones de años.

Pero si conecta algunos cables e imanes a la turbina para generar electricidad, el mismo acto de generar electricidad tomará suficiente energía del giro que la turbina dejará de girar muy pronto.

No tiene que ser la fricción del aire lo que reduce la velocidad de una turbina que gira.

Sin embargo, en realidad, incluso en el espacio, un objeto giratorio debería dejar de girar. Puede tomar miles de millones o trillones de años, pero aún así, no sería infinito.

Solo hay tanta energía en ese sistema. Depende de si la turbina está conectada a algo o no. Si está produciendo energía, finalmente dejará de girar.

A MENOS QUE produjera electricidad en un circuito superconductor. Como no se pierde energía en absoluto, todo el sistema eventualmente se establecería en un estado con una cantidad constante de corriente eléctrica circulando y la turbina girando a una velocidad constante.

En un circuito regular, siempre se perderá algo de energía a medida que fluye la corriente, ya que las partículas que transportan carga chocan entre sí y pierden energía como radiación. Por lo tanto, la turbina dejaría de girar con el tiempo.

Si no se pierde energía, puede seguir girando para siempre.

Suponiendo que este es un generador eléctrico a partir de imanes, la energía cinética de la turbina se convertiría en eléctrica, que también es cinética, en un nivel mucho más pequeño, donde los electrones se mueven. Hay una cierta resistencia del imán a medida que gira, lo que ralentizaría un poco la turbina

También debe considerar la energía disipada en forma de calor y sonido porque no es posible tener un objeto mecánico que no pierda energía en forma de calor, sonido o luz.

TLDR; Hay resistencias en un generador magnético y no puede ignorar la energía disipada

Recuerda cómo una turbina produce energía. Está conectado a un bucle de cable, que gira a través de un campo magnético estático a medida que gira (modelo simple). Incluso en el espacio, esta configuración sería la misma.

A medida que las líneas de conductores pasan a través del campo magnético, los portadores de carga experimentan una fuerza que los pone en movimiento alrededor del bucle, en sentido horario o antihorario. ¡Esto es solo un efecto observado de los campos magnéticos! Consulte la regla de la mano derecha de Fleming y la ley de inducción de Faraday para obtener detalles sobre este punto.

Sin embargo, una carga en movimiento en un campo magnético experimenta una fuerza, F = qvB. ¡Entonces estas cargas inducidas a moverse por el campo magnético experimentarán una fuerza del mismo campo tan pronto como se pongan en movimiento! Puede resolver esto usando la llamada regla de la mano derecha, y viola, verá que hay un componente de fuerza del campo magnético que se opone al movimiento de la bobina.

¡Efectivamente, esta fuerza hará que la turbina se desacelere gradualmente y se detenga si no se le suministra nueva energía cinética! La conservación de la energía es segura, esta vez.

Incluso en presencia de una atmósfera, el factor principal que ralentiza la turbina no es la resistencia al aire, es una fuerza mucho mayor.

Esta fuerza es la fuerza de Lorentz. Una partícula cargada (o corriente eléctrica en el cable) que se mueve en un campo eléctrico experimenta una fuerza que intenta oponerse al movimiento de la partícula (o movimiento del cable). Por lo tanto, poco después de que se genere la corriente, comenzará a disminuir la velocidad de la turbina. Su afirmación sobre la conversión de KE a energía eléctrica es cierta.

Es un poco complicado pensar en eso, pero intentaré explicarlo:

Supongamos que tiene 2 componentes de una turbina, los imanes y la bobina, que están conectados por algún tipo de rodamiento sin fricción. Al principio, los imanes giran mientras la bobina está estacionaria. A medida que la turbina genera energía, el momento angular se transfiere de los imanes a la bobina, hasta que ambos giran a la misma velocidad. Al hacerlo, parte, pero no toda la energía rotacional se convierte en energía eléctrica.

Al final, ¡tanto la energía como el momento angular se conservan! El truco es que hay una fuerza de acción / reacción entre la bobina y el imán, uno no puede ejercer una fuerza sobre el otro, sin sentir una fuerza sobre sí mismo.

Definitivamente reduciría la velocidad a cero.

El hecho de que no haya (prácticamente) fricción en el espacio no es relevante, ya que el motor al que está conectada la turbina todavía está convirtiendo energía cinética en electricidad, aplicando algo de fuerza a la turbina, siempre que la turbina esté girando.

Asumiendo que no se aplica ninguna otra fuerza, la turbina eventualmente dejará de girar.

No, no … porque siempre habrá una fricción entre el eje de la turbina y los cojinetes y el coeficiente de fricción en el vacío aumenta porque no hay partículas entre dos superficies, por lo que básicamente se perderá energía en forma de calor debido a esta fricción … .

Tus intuiciones son correctas.

Si hace girar un rotor completamente sin fricción en el espacio dentro de un estator (creo que esto es lo que quiere decir, en lugar de una turbina), de hecho girará para siempre, sin perder ni ganar energía.

Sin embargo, tan pronto como conecte un circuito eléctrico al rotor y al estator (podría ser una bobina eléctrica para el rotor y un par de imanes permanentes para el estator, por ejemplo), y comience a extraer energía eléctrica (para bombillas, por ejemplo) el rotor comenzará a perder energía y rotará más y más lentamente, hasta que finalmente (asintóticamente) se detenga.

Creo que esto es más complicado que la mayoría de las respuestas aquí. No soy físico, ni siquiera cerca. Pero para producir energía, la turbina tendría que estar conectada a un generador, y el generador tendría que tener un estator, algo estacionario, inmovilizado firmemente, para extraer energía útil del sistema. De lo contrario, la energía de rotación se transmitiría a lo que fuera que la alojara y giraría en contra del generador / turbina, evitando que extraiga energía de todo el sistema … de forma similar a cómo un cuerpo de helicóptero comenzaría a girar muy rápidamente sin la pequeña cola rotor que impide el giro. Por favor corrígeme si estoy equivocado.

Todas y cada una de las turbinas jamás creadas (hasta ahora) tienen diferentes grados de fricción. Los lubricantes y los cojinetes pueden ayudar a reducir esa fricción, pero siempre hay algo de fricción en alguna parte. A pesar de las diminutas partículas en el espacio, su turbina eventualmente comenzará a disminuir.