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20 marzo 2009
La energía en la automoción (2)
En el artículo anterior aprendimos que para mover un automóvil es necesario que el carburante le transfiera energía cinética, encargada de cambiar su velocidad. Decíamos que el principal objetivo del motor es proporcionar la energía necesaria a la carrocería para cambiar su velocidad a la deseada. Entonces, una vez alcanzada la velocidad crucero deseada, ¿por qué no apagamos el motor? O, por lo menos, ¿por qué no dejamos de pisar el acelerador?
Si viviéramos en el espacio, podríamos hacerlo. Pero nosotros vivimos en el fondo de un océano de aire, la atmósfera. Nuestro coche y el aire no pueden ocupar el mismo lugar, así que para moverse, el coche debe cambiar la posición del aire. Ese cambio, como todos, requiere energía. Y esa energía sale de la que tenía el vehículo, que transfiere parte de su energía cinética al aire circundante.
Es sencillo calcular la masa del aire que debe mover el automóvil cada segundo. Supongamos un turismo que mide 1,698m de ancho y 1,420m de alto, que se mueve a 50km/h. La sección frontal del coche ocupa 2,411m2, y en cada segundo barre 16,67m. Por lo tanto, el volumen de aire desalojado es de unos 40,18m3. En condiciones normales, la densidad del aire es de aproximadamente 1,3kg/m3, por lo que la masa total del aire desplazado en un segundo es de 52,2kg, el equivalente a levantar un San Bernardo pequeño cada segundo.
A la máxima velocidad legal en España, 120km/h, esta cantidad se eleva hasta los 104kg. Para hacerse una idea, el coche de nuestro ejemplo acabará desplazando la masa correspondiente a su propia MMA en aire en apenas quince segundos. Seis toneladas de aire removido cada minuto.
La energía necesaria para desplazar todo ese aire dependerá de lo rápido que se deba desalojar. Por ese motivo los coches de competición, y cada vez más los comerciales, se diseñan teniendo en cuenta la aerodinámica en túneles de viento, de forma que el aire sea desplazado de la forma más suave posible. Eso permite reducir la resistencia del aire, pero no anularla. El resultado neto será que el aire ejerce una fuerza proporcional a la velocidad que tenderá a disipar parte de la energía cinética, que el motor deberá reponer.
Una característica importante de la energía cinética – de los cambios en la velocidad – , es que un mismo cambio de velocidad cuesta más energía cuando el cuerpo en cuestión ya se está moviendo. Eso se traduce en que la energía cinética de un cuerpo no es proporcional a su velocidad. De hecho, sabemos que es proporcional al cuadrado de la velocidad: doblar la velocidad significa cuadriplicar la energía necesaria.
Por lo tanto, para asegurarnos que la velocidad sigue cambiando al mismo ritmo, es necesario aumentar el ritmo al que se suministra la energía mediante trabajo, aumentar la potencia. Físicamente, esto significa que la potencia que se necesita suministrar para ejercer cierta fuerza es igual al resultado de multiplicar dicha fuerza por la velocidad a la que se mueve el cuerpo en cuestión.
En resumen, hemos visto que la potencia que el motor debe suministrar para ejercer una determinada fuerza es proporcional a la velocidad. Y que la fuerza necesaria para mantener la misma velocidad, y compensar la resistencia del aire, es también proporcional a la velocidad. El resultado es que, para mantener el ritmo, el motor debe proporcionar una potencia proporcional al cuadrado de la velocidad.
De ésto vemos que la máxima velocidad posible crecerá proporcionalmente a la raíz cuadrada de la potencia que el motor sea capaz de desarrollar en el régimen de altas revoluciones. Esto parece contradecir lo que decíamos en la anterior entrada, que la potencia nos dirá únicamente la aceleración, pero no la velocidad punta. Esa aservación es correcta en ausencia de aire, cuando el único cometido del motor es cambiar la velocidad del vehículo. Pero en el mundo real, parte de la energía se pierde apartando el aire de nuestro camino, y la potencia del vehículo será la que nos diga la cantidad de aire que se puede desplazar por unidad de tiempo.
La principal consecuencia para nuestro automóvil – y para nuestro bolsillo – es que, a medida que aumentamos nuestra velocidad, deberemos incrementar el ritmo al que se suministra energía, y por tanto aumentar el consumo de carburante. Así que este efecto puede llegar a ser muy importante.
La energía total utilizada será igual a la potencia – que era proporcional al cuadrado de la velocidad – multiplicada por el tiempo que ha durado el viaje. El tiempo, naturalmente, será inversamente proporcional a la velocidad. Eso quiere decir que la energía gastada, y por lo tanto el combustible consumido, crecerá proporcionalmente con la velocidad a la que se ha desarrollado el viaje. La velocidad se paga, y mucho.
Viendo estos sencillos razonamientos, estaríamos tentados a concluir que la forma más barata de viajar es a la menor velocidad posible, prácticamente parados. Eso no es cierto, ya que para mantener encendido un motor de combustión interna debe rotar a una velocidad suficiente, de forma que el ciclo pueda sostenerse a si mismo. De lo contrario, se calaría. Éste, y otros efectos que no hemos tenido en cuenta hasta ahora (introduciremos alguno en el siguiente articulo), hacen que el exista un rango de revoluciones en que la energía se utiliza de forma más eficiente.
La velocidad en que la utilización de la energía es óptima, es decir, en que el consumo para una misma distancia sea el mínimo posible, varía en función de muchos factores: vehículo, carga, orografía, etc. Para la mayoría de los vehículos comerciales oscila, utilizando la marcha más larga posible, al rededor de los 90km/h. A velocidades mucho menores, en la misma marcha, gran parte de la energía se invierte en evitar la calada. Mientras que a velocidades mucho mayores el coste energético de desplazar el aire llega a ser prohibitivo.
Precisamente para permitir que los coches modernos se puedan desplazar a velocidades muy diferentes sin que el motor se aleje mucho de su régimen óptimo de giro, se utiliza una caja de cambios. En el siguiente artículo de esta serie utilizaremos todos estos conceptos para descubrir por qué es más eficiente utilizar, siempre que sea posible, las marchas más largas posibles.
Foto | jpctalbot, andrie mooi
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Tags: energía, Física, potencia, velocidad
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