La energía en la automoción (3)

Caja de cambios

Como decíamos en el anterior artículo, cada motor tiene un régimen de revoluciones en que el aprovechamiento de la energía química del carburante es óptimo. Sin embargo, a nosotros nos interesa poder circular a velocidades muy dispares, desde 30km/h al superar resaltos hasta los 120km/h en autovía. Si el sistema de transmisión de nuestro vehículo fuera de piñón fijo estaríamos obligados a conducir muy lejos del régimen óptimo en la mayor parte de las situaciones. Para solucionar este problema, los coches incluyen un sistema capaz de seleccionar la relación de marcha.

Pero vayamos al origen de el movimiento del coche: el interior del cilindro. Como todos sabemos, se introduce combustible fósil en aerosol (mezclado con aire), se comprime y se hace explotar, ya sea mediante una chispa o por autocombustión. Dicha explosión libera en forma de calor parte de la energía química almacenada en los enlaces molecular del carburante. Parte de esa energía se invierte en ejercer fuerza sobre el pistón, provocando su desplazamiento, es decir, se transmite en forma de trabajo a los elementos mecánicos del sistema de transmisión.

Como el mundo no es ideal, el pistón debe vencer la fuerza de rozamiento para deslizarse a lo largo del cilindro. Esta fuerza de fricción es la misma que podemos notar nosotros mismos si presionamos fuertemente nuestra mano contra la mesa y la intentamos deslizar. Este roce siempre se opone al movimiento, y tiene el efecto de disminuir el trabajo útil que se acaba transmitiendo a las ruedas. Una característica importante es que su magnitud es constante independientemente de la velocidad a la que se desplacen los elementos mecánicos. Por lo tanto, la energía perdida por rozamiento será siempre la misma en cada ciclo. Si en algún ciclo la energía suministrada por la explosión es menor que la perdida por rozamiento, el motor se calará.

Por lo tanto, cada ciclo tiene siempre el mismo coste energético debido a la fricción. La conclusión es que, desde este punto de vista, para aumentar la pérdida total, lo necesario es disminuir el número total de ciclos producidos durante todo el viaje, es decir, ir lo más rápido posible.

Posición de los pistones en los cuatro tiempos

Por otra parte, vimos el otro día que la potencia necesaria para ejercer una fuerza es igual al valor de dicha fuerza multiplicada por la velocidad a la que se desplaza el cuerpo sobre el que se ejerce. Pensemos, por ejemplo, que nos cuesta más empujar un carro de supermercado cuando ya se mueve rápido. En el caso del gas expandiéndose después de explotar, esto significa que el gasto energético será mucho mayor cuando el pistón se mueve a gran velocidad. Desde este punto de vista, ahorraríamos si consiguiéramos desplazarnos lo más lento posible.

En resumidas cuentas, tenemos un efecto (la fricción) que nos aconseja incrementar las revoluciones del motor; y otro efecto (el coste energético de generar trabajo a alta velocidad) que nos recomienda tomárnoslo con calma. Como todo en la vida, se trata de buscar el punto medio. Existirá un régimen de revoluciones en que la energía se aprovecha de la mejor forma posible.

Como ya hemos dicho, para permitir que, a cualquier velocidad, siempre estemos cerca del régimen óptimo del motor, el sistema de transmisión incluye la caja de cambios. En marchas cortas, hacen falta varias revoluciones del motor para que las ruedas completen una sóla vuelta. Al contrario, en marchas largas, cada revolución del motor se traduce en varias vueltas de las ruedas. De esta forma, el conductor puede seleccionar la relación de marchas más adecuada según la velocidad a la que quiere desplazarse.

La selección adecuada de la marcha engranada en cada instante puede llegar a ahorrar mucho en combustible, consiguiendo que su energía se utilice de forma eficiente. A menudo, se consigue ahorrar seleccionando la marcha más larga posible que nos permita viajar a la velocidad deseada sin arriesgarnos a calar el coche. Pero dejar que las revoluciones caigan demasiado puede ser igual de dañino, ya que se tendrá que gastar demasiada energía para evitar que se detenga el motor.

Ahora que ya tenemos las nociones necesarias para utilizar la potencia de nuestro vehículo de forma eficaz, sólo nos queda concienciarnos para evitar que la energía se acabe invirtiendo en realizar cambios poco deseables. A eso dedicaremos el último artículo de este serial.

Foto | bigiain, Willy (bajo licencia GFDL)
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