Historia y física de los medios de transporte

Historia de los medios de transporte y principio físico aplicable al funcionamiento de cada uno de ellos.

bicicleta

A lo largo de su historia, la humanidad ha intentado mejorar continuamente los medios de que disponía para trasladarse de un lugar a otro. Existe un motivo primordial que ha ido cobrando más y más relevancia con el desarrollo de la tecnología: el tiempo. El otro motivo radica en la energía. Ambos representan recursos tan valiosos como escasos. Pero no entraremos en implicaciones profundas. Sencillamente propongo un repaso a la historia de los medios de transporte más empleados en la actualidad, y nos detendremos para analizar qué principio físico posibilita el funcionamiento de cada uno de ellos.

LA BICICLETA

Se tiene constancia de que en algunas civilizaciones primitivas empleaban mecanismos semejantes a las bicicletas modernas, y existen bocetos de Leonardo da Vinci sobre bicicletas que datan del año 1490. Sin embargo, el modelo más parecido al actual fue ideado por primera vez en 1885 por John Kemp Starley, que lo denominó “bicicleta de seguridad”, partiendo de dos máquinas anteriores, la Draisiana y el velocípedo.

Bicihome-Bicicleta-de-Seguridad

Bicicleta de seguridad, 1885

Probablemente, muchos usuarios de este saludable medio de transporte se pregunten a día de hoy por qué cuesta mantener el equilibrio en una bicicleta parada y, en cambio, no supone ningún esfuerzo mantenerlo mientras se pedalea o la bicicleta permanece inercialmente en movimiento. La respuesta radica en el efecto giroscópico, el mismo por el que una peonza gira, que enuncia de manera formal que un cuerpo rotante tiende a resistirse a los cambios de dirección en su eje de rotación.

peonzamano

Además de esto, la bicicleta se mueve gracias al mecanismo de transmisión que, como su propio nombre indica, transmite el movimiento que nuestros pies producen en los pedales a las ruedas, mediante un sistema de platos (discos delanteros) y de piñones (discos traseros). A menudo, las personas que se inician en el uso de la bicicleta desconocen que estos sistemas de discos sirven, en última instancia, para seleccionar la distancia que queremos recorrer con cada pedalada y la fuerza que se requiere para darla. Por un lado, el plato más grande nos permite abarcar más distancia, pero también exige que ejerzamos más fuerza en los pedales. En cuanto a los piñones, sucede a la inversa, un piñón pequeño recorre mayor distancia, pero requiere más fuerza de nuestras piernas. Es por esto que al subir una cuesta conviene combinar el plato más pequeño con el piñón más grande y, en cambio, si queremos correr en un trazado recto debemos poner el plato más grande y el piñón más pequeño.

Por otro lado, mientras montamos en bici, el sistema que conforma nuestro cuerpo y la bicicleta se ve sometido a la acción de diversas fuerzas. Fuerzas que debemos vencer. Como la fuerza de rozamiento— entre las ruedas y el suelo—, la resistencia del aire, la pseudofuerza centrífuga cuando tomamos una curva (veáse Pseudofuerzas o fuerzas ficticias) y, si subimos una cuesta, entonces interviene el peso, que es una fuerza, como sabéis, producto de la aceleración gravitatoria y la suma de las masas, de la bici y de nuestro cuerpo. Todas estas fuerzas se oponen al movimiento del ciclista.

Claro que esto no suele importar demasiado si solo utilizamos la bicicleta para trasladarnos de un punto a otro de la ciudad o como recreación. Pero si lo que queremos es competir, el objetivo último se traduce en alcanzar una velocidad terminal mayor. Por ejemplo, en un ascenso de pendiente pronunciada, un ciclista más ligero tendrá ventaja frente a otro más pesado. Normalmente, en la competición profesional cobran relevancia los detalles. Las exigencias del ciclismo llevaron a los ingenieros a diseñar dos tipos de ruedas distintas a las clásicas de radios— más ligeras—, las lenticulares— como las que usaba Indurain, que poseen mayor inercia— y las de palos— ideales para cortar el viento.

EL TREN

Durante los siglos XVII y XVIII el ferrocarril consistía en caballerías que arrastraban carros sobre raíles. A raíz de las mejoras que el ingeniero escocés James Watt hizo de la máquina de vapor de Newcomen, en 1819, se trató de aplicar este concepto a los ferrocarriles. Los primeros intentos tuvieron lugar en Gran Bretaña, cuando Richard Trevithick construyó una locomotora en 1804. Sin embargo, en 1829, en la población de Rainhill (Inglaterra), se celebró un concurso para premiar la mejor locomotora hasta la fecha. El ganador fue el ingeniero británico Robert Stephenson, que presentó una locomotora denominada Rockett. La Rockett sirvió de modelo para el resto de locomotoras que se fabricarían a partir de ese momento, aplicando la máquina de vapor y revolucionando la economía y la sociedad de la época.

El funcionamiento de la máquina de vapor se resume en la combustión de carbón o de madera, mediante la cual se calienta el agua encerrada en unos tubos hasta llevarla al punto de ebullición, momento en el que se transforma en vapor. El vapor de agua produce un aumento de la presión dentro del recipiente que empuja un conjunto de pistones. Estos, a su vez, se encuentran vinculados a unos ejes que, por la acción de empuje de los pistones, se mueven transmitiendo ese movimiento a las ruedas de tracción de la locomotora. De modo que el proceso consiste en convertir energía calorífica en energía mecánica.

Claro que este tipo de locomoción tenía ciertos inconvenientes, que hicieron que los ingenieros buscasen alternativas al empleo del carbón (no penséis en la capa de ozono, que por entonces pasaba inadvertida, en realidad el humo molestaba a los pasajeros, y la locomotora debía transportar enormes cantidades de carbón o de leños, como en Regreso al futuro III). Así fue como, en 1893, el ingeniero alemán Rudolf Diesel inventó el motor que lleva su nombre. Tras sucesivas mejoras que perseguían una mayor eficiencia del motor, dotándolo de un generador que transmitía la energía a los motores eléctricos, se inició la fabricación en cadena de locomotoras eléctricas, a cargo de la famosa empresa General Motors.

Alimentación del circuito eléctrico

Alimentación del circuito eléctrico

En las locomotoras eléctricas se transforma energía eléctrica en trabajo por el cual se mueve el tren. Aparte de las ventajas inmediatas con respecto a las anteriores locomotoras— más veloces, más silenciosas, más limpias o más eficientes— los trenes eléctricos aprovechan la energía cinética generada en los descensos en pendiente devolviendo energía a la red. La energía que pone en marcha estos trenes procede de una subestación eléctrica que alcanza al captador eléctrico mediante líneas de cableado. En tanto, la corriente eléctrica sigue circulando por la red de forma que regresa a la subestación y, de esta forma, se cierra el circuito eléctrico (como indica la figura anterior). Para que esto sea posible, las ruedas del tren deben hacer contacto con los raíles, que provoca el desgaste de los mismos y una pérdida significativa de energía.

Estas pérdidas se podrían evitar si la ciencia encontrara por fin los codiciados superconductores a temperatura ambiente (véase Superconducción). De este modo se podría poner en marcha el proyecto MAGLEV, en el que se sigue trabajando hoy por hoy, para fabricar trenes magnéticos. Los carriles, en este caso, servirían de motor, como potentes imanes que producen un flujo magnético constante, originando efectos de atracción-repulsión que, al mismo tiempo, elevarían el vehículo y lo empujarían hacia adelante.

Como el tren no hace contacto con los raíles este resultaría más ligero y, por ese motivo, podría alcanzar velocidades superiores a las que actualmente alcanzan los trenes de alta velocidad. También facilitaría los ascensos en pendientes pronunciadas y reduciría el margen mínimo de frenada.

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LAS NAVES ESPACIALES

En esta página podéis encontrar un artículo enteramente dedicado a los distintos tipos de naves espaciales, pero repasando un poco la historia, recordamos que el cohete fue inventado por el físico alemán Werner von Braun poco antes de que comenzara la Segunda Guerra Mundial. Cuando esta estalló, el ejército alemán empleó el fascinante invento para bombardear Inglaterra. En ese momento potenciaron sus aplicaciones armamentísticas por la tesitura en la que se encontraba la civilización humana. Como diría Iron Man, la paz pertenece al que posee la estaca más grande. Sin embargo, al finalizar la contienda, y con las ansias de paz y seguridad, el bando de los vencedores rescató la idea para aplicarla con fines científicos. Daba así inicio la carrera espacial, no menos contendiente.

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¿Qué es lo que hace posible que un vehículo de dimensiones aceptables venza a la acción de la fuerza gravitatoria? La respuesta es simple: el motor de reacción, que debe generar una fuerza de empuje superior al peso (m·g) del sistema cohete-combustible-carga útil. Esto responde a la tercera ley de Newton, por la que a toda acción le corresponde una reacción de igual magnitud pero sentido contrario. Y esto es lo que hacen en esencia los cohetes, expeler una cantidad de masa (gases derivados de la combustión de propelente líquido—queroseno (petróleo refinado) o hidrógeno líquido junto con oxígeno líquido— o sólido “perclorato de amonio y aluminio”, o ambos) a gran velocidad, y así la masa del cohete se desplaza en sentido opuesto.

Motor a reacción

Esquema de un motor a reacción sencillo

Matemáticamente, la propulsión viene descrita por la ecuación de Tsiolkovski, llamada así por el físico ruso, Konstantín Tsiolkovski, que publicó su demostración en 1903 de manera independiente. Luego se conoció que, cerca de un siglo antes, en 1813, el matemático británico William Moore había llegado a la misma expresión.

La ecuación del cohete de Tsiolkovski tiene en consideración la variación de la masa, lo que se conoce como el principio del cohete. Se resume en la autopropulsión por la fuerza de empuje (el vehículo se acelera así mismo) mediante la expulsión a gran velocidad de parte de su masa. Como hemos explicado unas líneas más arriba, este ejerce así una fuerza en la dirección normal de la superficie terrestre cuyo sentido se opone a la aceleración obtenida debido a la conservación de la cantidad de movimiento. Formalmente:

Ecuación formal del coheteDonde se aprecia claramente cómo la variación de la masa se encuentra vinculada a la velocidad del cohete.

No obstante, el ser humano se ve todavía limitado por la potencia de los cohetes y por la cantidad de combustible que una nave puede transportar. Por esta razón los ingenieros astronáuticos siguen investigando para aportar alternativas que desembaracen las vías estelares, como la propulsión iónica, las velas solares, MXER o combinaciones de solar+eléctrica y solar+térmica. Como resulta habitual, la ciencia-ficción ha contribuido sobremanera a idear métodos variados para los sistemas de propulsión de las naves espaciales, que posibiliten los viajes fuera de la órbita terrestre. Un caso renombrado es el de Arthur C. Clarke, escritor de ciencia-ficción e inventor de los satélites de comunicaciones en 1945 (además de fan de los extraterrestres, a los que les envió el afamado disco de oro que contiene, entre otras cosas, detalles de nuestra frágil anatomía), que en su relato corto Viento del Sol propuso las velas solares capaces de poner un vehículo espacial a altas velocidades en poco tiempo. Pero lo que pocos saben es que no se trataba de una idea original, dado que 400 años antes ya se le ocurrió a Johannes Kepler, aunque en su época seguramente parecería un disparate.

Galaxias 1

Este físico alemán, Kepler, también propuso a mediados del siglo XVII las tres conocidas leyes que llevan su nombre, por las cuales ha sido posible enviar satélites más allá de la estratosfera. ¿Qué hace que un satélite no se precipite contra la corteza terrestre? Sencillamente que estos mantienen una órbita elíptica, en ausencia de rozamiento, y su velocidad constante les impide caer. Luego Einstein contribuiría inestimablemente a poner satélites en órbita en arreglo de los principios de la relatividad, pero eso es otra historia…

EL BARCO

La ley de la hidrostática que posibilita la navegación sobre el agua (u otro fluido si fuera necesario) se denomina Principio de flotación de Arquímedes. Arquímedes fue un brillante físico y matemático nacido en Siracusa (Sicilia) que, pese a ser conocido mayormente por el principio que lleva su nombre, se adelantó a su época con otros importantes descubrimientos en mecánica y geometría. Trabajaba como consejero en la corte de su primo, el rey Hierón II, quien le encargó que averiguara si la corona que le acababa de confeccionar un orfebre contenía todo el oro invertido. Se dice que un día, mientras Arquímedes tomaba un baño, dedujo que todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente equivalente al peso del fluido desalojado, y exclamó con ello, ¡Eureka! Acababa de postular el principio por el que flotan los barcos.

arquímedes

Por esto sabemos que todo cuerpo sumergido experimenta la acción de dos fuerzas en la dirección normal terrestre: el empuje (ascendente) y el peso (descendente). Estas fuerzas están íntimamente relacionadas con las densidades del fluido y del cuerpo, y con las dimensiones de este último. Pero en esencia, si el empuje resulta mayor que el peso, el cuerpo flota. En otras palabras, para que un barco flote su densidad debe ser menor que la del agua. Por el contrario, un lingote de oro se hunde en el fondo del mar porque su densidad es mayor que la del agua.

Un ejemplo práctico: Una bola de acero (dac = 7900 kg/m3) de 12 cm de radio se sumerge en agua. Se pide calcular el empuje y la fuerza resultante.

En primer lugar tenemos que:

Fe = da·Vs·g

Donde,

da·Vs = m (kg)

La fuerza de empuje Fe equivale a la densidad da del agua por el volumen del cuerpo sumergido Vs por la gravedad g. Conocemos las tres variables. La densidad del agua se nos debe aportar como dato, para su masa específica, resulta 1000 kg/m3. La gravedad también, 9,8 m/s2. Y el volumen lo determinamos con los datos del problema, dado que se trata de una esfera, un cuerpo regular:

Vs = (4/3)·π·r3 = (4/3)·(3,1416…)·(0,123 m) = 7,24·10-3 m3 (en unidades del SI)

Luego,

Fe = (1000 kg/m3)·(7,24·10-3 m3)·(9,8 m/s2) = 70,93 N

Así respondemos a la primera pregunta. Para responder a la segunda, la fuerza resultante, debemos conocer el peso de la bola que, obviamente se trata de otra fuerza en sentido contrario y, a continuación, restamos ambas fuerzas, el empuje Fe y el peso P.

Luego,

FR = P – Fe

Hallamos P, considerando que el enunciado nos facilita la densidad del acero, podemos calcular su masa con la fórmula general de la densidad, d = (m/V), equivalente al producto entre la masa y el volumen del cuerpo.

mac = dac·Vs = (7900 kg/m3)·( 7,24·10-3 m3) = 57,20 kg

Así el…

P = mac·g = (57,20 kg)·(9,8 m/s2) = 560,52 N

Finalmente, la fuerza resultante:

FR = 560,52 – 70,93 = 489,59 N

Dirigida radialmente hacia la superficie, el cuerpo, por tanto, se hunde.

Por supuesto las dimensiones del cuerpo también resultan relevantes a la hora de conseguir un medio que flote sobre la superficie del mar y nos permita desplazarnos a una velocidad aceptable. Por eso, a lo largo de los siglos, las medidas de un barco se han ido perfeccionando para así conjugar eficiencia con flotabilidad.

Dimensiones de un barco

A lo largo de los siglos los sistemas de propulsión de navíos han ido variando. A modo de resumen podemos destacar los cuatro siguientes:

Remo: el más antiguo de todos, puesto que resulta meridiano: emplear palas para impulsar el navío a modo de palancas con un punto de apoyo en la borda, para lo cual se requería el uso de remeros fornidos. ¿Sabíais que Arquímedes inventó el tornillo sin fin, el mecanismo de polea compuesta y, qué curioso, definió la ley de la palanca?

Vela: al principio se combinó con el sistema de remo, pero con el tiempo se construyeron imponentes veleros que aprovechaban mayormente la fuerza eólica. No en vano se ideó en el río Nilo, donde casi siempre sopla el viento del norte, lo que posibilita la navegación contra corriente.

Vapor: con la revolución industrial, a finales del siglo XVIII, se construyeron los primeros barcos a vapor (más correcto que barco “de” vapor, por razones obvias). El vapor de agua movía grandes ruedas de palas colocadas a babor y a estribor.

Motor: poco después de los barcos a vapor se empezó a comercializar el motor de combustión interna que se aplicó a la propulsión de los barcos. Un poco más adelante, a partir de 1893, el motor diésel terminó imponiéndose, pues implicaba un mayor rendimiento en relación velocidad-consumo.

El submarino

Un caso particular de embarcación que, a diferencia de los barcos donde la fuerza de empuje se mantiene igualada al peso de la nave, consta de mecanismos que le permiten regular su densidad total. Los submarinos tienen un volumen constante, pero pueden variar su masa cuando retienen agua en los tanques de que disponen. Al llenarse los tanques de agua su densidad aumenta y, por tanto, adquiere una flotabilidad negativa. Para emerger a la superficie basta con vaciar los tanques, equilibrando así de nuevo la fuerza ascensional y el peso.

principio de flotación del submarino

LOS AVIONES

Más de un siglo ha transcurrido desde el primer vuelo de los hermanos Wright (1903) con un biplano propulsado a motor. Aquel vuelo solo duró 12 segundos y sobrevoló 36,5 metros a la modesta velocidad media de 48 km/h, pero demostró que con algo más de técnica e investigación el ser humano lograría desplazarse por el cielo como los pájaros, incluso a mucha más velocidad (un avión comercial trasatlántico alcanza los 950 km/h como máximo).

Pese a los importantes avances en aeronáutica, todavía nos preguntamos asombrados cómo puede un Boing 747 de 400 toneladas elevarse por encima de las nubes y volar a diez mil metros de altitud.

Es posible por la fuerza de sustentación, a la cual contribuyen la forma de las alas y el ángulo de inclinación del avión. El principio se reduce al perfil aerodinámico del ala, la cual ejerce una fuerza de desplazamiento descendente sobre el aire. Corresponde a una fuerza de acción. Como consecuencia, el aire ejerce una fuerza de reacción ascendente que compensa el peso del avión. Sencillo, ¿verdad? Para generar esta fuerza de sustentación la masa de aire desplazado por el ala ha de ser considerablemente grande, concretamente, la cantidad de aire impulsado hacia abajo resulta directamente proporcional a dicha fuerza.

fuerza elevadora en ala del avión y ángulo de ataque

Se trata del mismo principio aplicado a los alerones traseros en los coches de Fórmula 1, pero a la inversa, que además de mejorar el rendimiento del vehículo le aportan estabilidad.

aleron trasero de un coche de fórmula 1

La velocidad del avión afecta directamente a la estabilidad de vuelo. Por eso, durante el aterrizaje y el despegue, cuando la velocidad del avión es menor, las alas son más anchas. Esto se consigue mediante unos paneles llamados flaps, desplegados por el piloto, que aumentan la superficie del ala y modifican sustancialmente su perfil. Con una inclinación de 15 grados durante el despegue y unos 40 grados en el aterrizaje, el piloto consigue elevar o, por el contrario, aumentar la sustentación del avión, respectivamente.

EL COCHE

Se trata del medio de transporte más utilizado diariamente en todo el mundo. Por sí solo podría cubrir un artículo completo. Por eso me limitaré a recordar que sus inicios datan del siglo XIX. En concreto, el ingeniero alemán G. W. Daimler patentó el primer automóvil comercial en 1885.

coche daimler

Coche Daimler, 1885

Funcionaba con un motor térmico de combustión interna a gas o a petróleo, adaptando el motor de cuatro tiempos, ideado por su compatriota N. Otto nueve años antes. El vehículo utilitario se presentó al público en la Expo Universal de Paris de 1889, y en 1913 comenzó, finalmente, la fabricación en cadena a cargo de la conocida marca Ford (EE.UU.).

Motos de 4 tiempos, motor otto

Aunque el motor eléctrico comenzó a desarrollarse a mediados del siglo XIX, pronto fue ensombrecido por los combustibles fósiles, que resultaban más baratos y, por entonces, más abundantes, y permitían una mayor autonomía de funcionamiento. Por supuesto, hace dos siglos no se valoraban las ventajas de la electricidad, que ofrece mayor rendimiento y mucha menos contaminación. Hoy en día, no obstante, el encarecimiento del crudo y las emisiones de CO2 empujan a las grandes empresas automovilísticas a producir alternativas rentables y eco-amigables, como todos sabéis. Los debates sociales los relego a los coloquios asertivos.

¿CUÁL ES EL MÁS EFICIENTE?

Después de este repaso a los principales medios de transporte de que dispone la humanidad puede que te preguntes, a la hora de la verdad, ¿cuál de todos se puede considerar el más eficiente? En una época en la que priman la eficacia y la economía… Bueno, primero tendríamos que concretar a qué nos referimos cuando hablamos de eficiencia.

La eficiencia se halla estrechamente relacionada con la energía que se consume por unidad de tiempo o, bien, por unidad de distancia, según queramos valorar la inversión energética en función del tiempo dedicado o del desplazamiento que logremos obtener. Lógicamente, inmersos en la sociedad de consumo, la energía conlleva un gasto económico y, además, repercute en otra cosa que empieza también por eco. Como nos interesa aplicarlo a los medios de transporte, vamos a precisar cuánta energía necesitamos para recorrer una misma distancia en kilómetros. En otras palabras, para una misma distancia, escogemos arbitrariamente 4 kilómetros, a modo de ejemplo, ¿qué medio de transporte gasta menos energía? El que menos energía requiera para cubrir esos 4 kilómetros saldrá vencedor y designado como “el más eficiente”.

Ahora bien, la energía se mide en Julios (J) en el Sistema Internacional de medidas. Por lo tanto, constituye la unidad empleada por los físicos clásicos. Por su parte, los físicos modernos (cuánticos, nucleares, de partículas…) utilizan más el electronvoltio (eV) que se ciñe mejor al orden de magnitud subatómico. Por otro lado, en electricidad se emplea el kilovatio-hora (kWh), que a muchos les sonará porque aparece en las facturas de la luz. Sin embargo, la mayoría de las personas están habituadas a oír hablar de calorías o, más correctamente, de kilocalorías (kcal), y de encontrarlas en las etiquetas nutricionales de todos los alimentos (por ley). Muchas mujeres creen, incluso, que se trata de alguna suerte de poder maligno. Pero, temores al margen, todas estas unidades expresan la cantidad de energía (1 cal = 4,18 J) porque, como sabéis, esta puede adoptar muchas formas: energía calorífica, energía mecánica, energía térmica, energía química, energía eléctrica…

Como se da por hecho que alimentarnos resulta inherente a nuestra naturaleza humana, vamos a ejemplificar la energía necesaria para recorrer 4 kilómetros con las calorías que aporta al organismo el huevo. Es decir, supongamos que un huevo, que aporta aproximadamente 60 kcal de energía, es el combustible empleado para poner en marcha cada uno de los medios de transporte citados anteriormente. Mejor dicho, ¿cuántos huevos (60 kcal por unidad) se requieren para recorrer 4 kilómetros? En la siguiente tabla se recogen los datos para algunos medios de transporte y para mover nuestras piernas:

tabla de consumo de huevos por 4 kilómetros

En conclusión, el método más eficiente, a lo que sumamos los adjetivos de más saludable, más ecológico y más práctico— siempre que los conductores de automóviles respeten las normas cívicas básicas— es la bicicleta, de la que me declaro fan incondicional. Así que ya sabéis, para trayectos cortos ¡todos a la bici! Para trayectos largos, sin lugar a dudas, el tren representa la mejor opción. Un consejo para esas mujeres que temen a las calorías, si queréis perder peso y dudáis entre ir al trabajo andando o en bicicleta, en armonía con los datos expuestos en la tabla, os conviene escoger el paseo a pie, que consume más calorías. Además podéis escuchar música (siempre con los cascos puestos por respeto a los demás) por el camino, ya que está prohibido utilizar auriculares si montamos en bicicleta por las vías urbanas, algo que muchos, especialmente los jóvenes, desconocen.

Fuentes consultadas: Fundación Ciudad de las Artes y las Ciencias; Renfe

2 comentarios

  1. Matthias Falcon · noviembre 8, 2017

    Muchas gracias! Logre hacer un trabajo de física gracias a esto.

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