CORIOLIS

El efecto Coriolis, descrito en 1835 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis, es el efecto que se observa en un sistema de referencia en rotación (y por tanto no inercial) cuando un cuerpo se encuentra en movimiento respecto de dicho sistema de referencia. Este efecto consiste en la existencia de una aceleración relativa del cuerpo en dicho sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo.

El efecto Coriolis hace que un objeto que se mueve sobre el radio de un disco en rotación tienda a acelerarse con respecto a ese disco según si el movimiento es hacia el eje de giro o alejándose de éste. Por el mismo principio, en el caso de una esfera en rotación, el movimiento de un objeto sobre los meridianos también presenta este efecto, ya que dicho movimiento reduce o incrementa la distancia respecto al eje de giro de la esfera.

Debido a que el objeto sufre una aceleración desde el punto de vista del observador en rotación, es como si para éste existiera una fuerza sobre el objeto que lo acelera. A esta fuerza se la llama fuerza de Coriolis, y no es una fuerza real en el sentido de que no hay nada que la produzca. Se trata pues de una fuerza inercial o ficticia, que se introduce para explicar, desde el punto de vista del sistema en rotación, la aceleración del cuerpo, cuyo origen está en realidad, en el hecho de que el sistema de observación está rotando.

Un ejemplo canónico de efecto Coriolis es el experimento imaginario en el que disparamos un obús desde el Ecuador en dirección norte. El cañón está girando con la tierra hacia el este y, por tanto, imprime al obús esa velocidad (además de la velocidad hacia adelante de la carga de impulsión). Al viajar el obús hacia el norte, sobrevuela puntos de la tierra cuya velocidad lineal hacia el este va disminuyendo con la latitud creciente. La inercia del obús hacia el este hace que su velocidad angular aumente y que, por tanto, adelante a los puntos que sobrevuela. Si el vuelo es suficientemente largo (ver cálculos al final del artículo), el obús caerá en un meridiano situado al este de aquél desde el cual se disparó, a pesar de que la dirección del disparo fue exactamente hacia el norte. Análogamente, una masa de aire que se desplace hacia el este sobre el ecuador aumentará su velocidad de giro con respecto al suelo en caso de que su latitud disminuya. Finalmente, el efecto Coriolis, al actuar sobre masas de aire (o agua) en latitudes intermedias, induce un giro al desviar hacia el este o hacia el oeste las partes de esa masa que ganen o pierdan latitud de forma parecida a como gira la bolita del ejemplo. Y también los ciclones y huracanes giran en un sentido en el Hemisferio Norte y en el contrario en el Hemisferio Sur. La razón, una vez más, es que en el hemisferio norte ir hacia el norte significa acercarse al eje de giro terrestre e ir hacia el sur alejarse, mientras que en el hemisferio sur ir hacia el norte significa alejarse del eje de giro e ir hacia el sur, acercarse.

Borrasca sobre Islandia, que pone de manifiesto el efecto de Coriolis

La fuerza de Coriolis

Es una fuerza ficticia que aparece cuando un cuerpo está en movimiento con respecto a un sistema en rotación y se describe su movimiento en ese referencial. La fuerza de Coriolis es diferente de la fuerza centrífuga. La fuerza de Coriolis siempre es perpendicular a la dirección del eje de rotación del sistema y a la dirección del movimiento del cuerpo vista desde el sistema en rotación. La fuerza de Coriolis tiene dos componentes:

• una componente tangencial, debido a la componente radial del movimiento del cuerpo, y
• una componente radial, debida a la componente tangencial del movimiento del cuerpo.

La componente del movimiento del cuerpo paralela al eje de rotación no engendra fuerza de Coriolis.

El valor de la fuerza de Coriolis es:

Donde:

• m: es la masa del cuerpo.
• V: es la velocidad del cuerpo en el sistema en rotación.
• w: es la velocidad angular del sistema en rotación vista desde un sistema inercial.
• x: indica producto vectorial.

Efectos de la fuerza de Coriolis

Una de las raras ocasiones en la cual una persona puede sentir la fuerza de Coriolis es cuando trata de caminar siguiendo una trayectoria radial en un tiovivo (o carrusel). Cuando la persona se aleja del eje de rotación, sentirá una fuerza que la empuja en el sentido contrario a la rotación: es la fuerza de Coriolis.

Cuando una persona se aleja o se acerca del eje de rotación a una velocidad de 1 m/s en un tiovivo que gira a 10 vueltas por minuto, la aceleración de Coriolis es:

Se trata, por consiguiente, de una aceleración lateral 46 veces más pequeña que el peso de la persona. Para una persona de 70 kg, eso corresponde a una fuerza lateral igual al peso de 1,5 kg. No es mucho pero, poniendo atención, puede sentirse.

MOTORES

Los motores son operadores generadores de movimiento, es decir, transforman algún tipo de energía en energía mecánica, por lo que los hay de muy distintos tipos según la energía inicial que utilizan. Desde siempre el hombre ha utilizado su propia fuerza (muscular) y la de los animales para realizar trabajos y mover objetos, y con el paso del tiempo ha aprendido a usar máquinas que le han ayudado a mover objetos, incluso cada vez más pesados. Un ejemplo son los molinos de viento y los molinos de agua, que aprovechaban la fuerza de la naturaleza para mover un sistema mecánico y realizar un trabajo. Actualmente, los más usados son los motores eléctricos (por ser la forma de energía más usada y las ventajas de estos: versatilidad, no contaminan, tamaño reducido, gran duración, escaso mantenimiento) y los de combustión o térmicos (por ser los más potentes, aunque contaminan mucho, son de mayor tamaño y necesitan mayor mantenimiento). Otros motores son los de cuerda, de resortes, de gravedad, etc.

MOTORES DE COMBUSTIÓN

Los motores de combustión convierten un fenómeno químico (la expansión que se produce al comprimir y explotar una mezcla de aire y combustible, dentro de un cilindro herméticamente sellado) en uno mecánico que es el empuje que recibe el pistón de los gases de combustión y que lo transmite a la biela y ésta al cigüeñal, produciendo finalmente un movimiento de giro en el eje que será aprovechado por el sistema de transmisión del vehículo para hacer que las ruedas se muevan.

Existen dos tipos básicos de motores de combustión: Motores de Gasolina y Motores Diesel (de gasóleo). En esencia funcionan igual, la única diferencia es que al comprimir la mezcla, en el diesel simplemente al llegar al punto máximo de compresión se produce la explosión espontáneamente, mientras que en el de gasolina es necesaria una chispa eléctrica (gracias a una bujía) para que se produzca la explosión. En realidad, en el diesel se comprime sólo el aire, elevándose la temperatura a aproximadamente 500º C, y luego en el aire comprimido se inyecta el combustible y éste se inflama espontáneamente.

Ambos combustibles (gasolina y gasóleo) se obtienen del petróleo, pero el gasóleo o combustible diesel es más pesado y aceitoso, lo que hace que evapore más lentamente y que el punto de ebullición sea más alto. A cambio, el diesel tiene un mejor rendimiento en km/litro y es ligeramente más económico porque, entre otras cosas, requiere menos refinación. En definitiva, los de gasolina son menos eficientes, sólo aprovechan del 22 al 24% de la energía, mientras que en los diesel el aprovechamiento puede superar el 35%. Por ello, estos motores encontraron rápida aplicación en barcos, locomotoras, camiones pesados y tractores.

La calidad de una gasolina se mide mediante el índice de octano y la calidad del diesel se expresa mediante el índice de cetano.

Su funcionamiento (nos centraremos en el de gasolina aunque sería similar en el diesel) está basado en una ingeniosa distribución de los movimientos o carreras del pistón (movimientos ascendentes y descendentes) completando cada ciclo de trabajo en cuatro movimientos o tiempos: Entrada de combustible, compresión del combustible, explosión y expansión y, finalmente, expulsión de los gases o humos que deja la combustión. Como el pistón va encerrado en el cilindro se necesitan dos orificios o válvulas, la válvula de admisión para que pueda entrar el combustible (mezcla de aire y gasolina) y la válvula de escape para que puedan salir los gases, en el momento adecuado. El movimiento sincronizado de las válvulas (apertura y cierre) se realiza gracias a unas levas. Esos cuatro pasos (denominados Admisión, Compresión, Explosión y Escape) son los utiliza el motor de explosión de cuatro tiempos:

Motor de Gasolina

Motor Diesel

Los cuatro Tiempos:

Admisión (primer tiempo): El pistón inicia una carrera descendente dentro del cilindro y aprovechando que la válvula de admisión está abierta, succiona la mezcla (aire+gasolina) para llenar el vacío. Al final de este recorrido hacia abajo (PMI o Punto Muerto Inferior) el cilindro está lleno de combustible.

Compresión (segundo tiempo): El pistón sube. Como las válvulas de admisión y de escape están cerradas, la mezcla no puede salir del cilindro y entonces es comprimida por el pistón, calentándose hasta una alta temperatura.

Explosión o Combustión (tercer tiempo): Al estar comprimida la mezcla, la alta temperatura facilita el efecto de explosión que produce una chispa que salta de la bujía, haciendo que se expandan los gases y baje el pistón con una gran fuerza.

Escape (cuarto tiempo): Por último, la combustión que se ha producido deja algunos gases o humos que ahora son expulsados a través de la válvula de escape y que son empujados por el pistón en esta carrera ascendente.

Como se puede observar, el único tiempo o fase en la que realmente se realiza el trabajo mecánico de hacer girar el eje para mover el vehículo es el de combustión (tercer tiempo). Los otros tres son necesarios para que aquél se pueda llevar a cabo correctamente. Y, además, los cuatro tiempos están complementados con otros sistemas que permiten su óptimo desempeño:

Sistema de Alimentación

Sistema de Encendido

Sistema de Refrigeración

Sistema de Lubricación

Partes del Motor

Bloque de cilindros:

El bloque de cilindros es una pieza fundida donde se encuentran distribuidos los cilindros (cuatro en el motor de la imagen de arriba).
Los cilindros son unos orificios en cuyo interior se desplazan los pistones y su principal función es la de recibir la mezcla de aire y gasolina para luego comprimirla y hacerla explotar, generando la fuerza que se ha de transmitir finalmente a las ruedas.

Cárter de Aceite:

El cárter es una bandeja ubicada en la parte inferior del bloque de cilindros y su función principal es la de servir como cierre inferior y depósito del aceite.

Culata:

La culata es la pieza ubicada en la parte superior del bloque de cilindros. Es la tapa de todos los cilindros. allí se ubican las bujías, las válvulas de admisión y de escape, y los conductos de entrada y salida de gases:

Gases de entrada: La mezcla de aire y gasolina.

Gases de salida: Los gases-residuo de la combustión (CO, CO2, O2, HC)

Mecanismo Pistón - Biela - Cigüeñal:

Pistón: Es el elemento que se desplaza en movimientos ascendentes y descendentes dentro de cada uno de los cilindros. Comunica la fuerza que produce la combustión a la biela, quien a su vez se la transmite al cigüeñal.

Biela: Es un brazo que transmite el movimiento ascendente y descendente del pistón al cigüeñal.

Cigüeñal: Es un eje con varios codos en forma de manivela, que recibe el movimiento ascendente y descendente de los conjuntos biela-pistón, contribuyendo así entre todos (cuatro en el ejemplo) al mismo movimiento giratorio del eje, que será transmitido finalmente a las ruedas.