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Tipos de motores de combustión interna y métodos para aumentar el rendimiento

 

 

Los motores de combustión interna de cuatro tiempos suelen clasificarse básicamente en dos grupos; así podemos decir que son de explosión cuando en los pistones se inyecta una mezcla de gasolina y aire en la fase de admisión a través de la válvula del mismo nombre, que es absorbida por el vacío que deja tras de sí el movimiento descendente del pistón, y que es comprimida en la fase de compresión, mientras sube el pistón. Una vez comprimida la mezcla en la cámara de compresión, se le aplica una chispa en el comienzo del tiempo de explosión, tras el cual el pistón desciende hacia abajo por mediación de la energía liberada en la oxidación de la gasolina, y vuelve a subir de nuevo expulsándose los gases resultantes de dicha reacción del carburante a través de la válvula de escape. Para reducir la barrera de potencial entre los reactivos de la reacción química –gasolina y aire- y el nivel energético del complejo activado –mezcla homogénea de los reactivos-, y así proporcionar la energía de activación, se utiliza la presión del aire inyectado, que a volumen de aire decreciente y presión creciente –crece al subir el pistón- consigue aumentar su temperatura, como se puede razonar por la ley que Robert Hooke, Boyle y Gay Lussac descubrieron en relación a las propiedades elásticas de los gases comprimidos. La detonación queda reservada para la chispa, y se libera una energía motriz eficaz que es igual a la diferencia entre el nivel de los reactivos y de los productos –gases que se expulsan en el tiempo de escape-, a la que se le deben sustraer las pérdidas por rozamientos y calor radiado en todo el motor. Debido al empleo de la chispa y a que la gasolina tiene un “poder anti-detonante” más bajo que el gasóleo, por ser más fácilmente inflamable, los cilindros de los motores de explosión tienen una cámara de compresión más grande que los motores de combustión de gasóleo, ya que de lo contrario la mezcla explotaría antes de aplicarse la chispa. Este ciclo completo se corresponde con dos emboladas –o movimientos baja-sube del pistón- y con dos vueltas del cigüeñal.

Por su parte, los motores de combustión de gasóleo funcionan esencialmente igual que los motores de explosión, con la gran salvedad de que en vez de aplicarse una chispa, se utiliza una cámara de compresión pequeña y un cilindro más grande, para que la mayor cantidad de aire en relación al motor de explosión, quede muy comprimida, de tal forma que simplemente con introducir el gasóleo muy pulverizado mediante un inyector en la cámara de compresión, y debido al alto calentamiento del aire por hallarse en gran cantidad en una pequeña cámara, es suficiente para que se inicie la reacción de oxidación del gasóleo.

Hoy en día para optimizar el rendimiento del motor, que va en relación directa con una cantidad de combustible no quemado y por tanto desperdiciado mínima, se usan fundamentalmente dos métodos, a saber, la inyección en lumbrera y la inyección directa. La inyección en lumbrera, que se aprecia en la figura superior, consiste en que el inyector rocía el combustible en la propia corriente de aire, que procede del filtro de aire y que pasa a través del estrangulador. De este modo la mezcla penetra en el cilindro, y una vez comprimida, la chispa de la bujía la inflama. Si queremos aumentar la potencia con este esquema debemos suministrar más cantidad de aire y gasolina, actuando sobre el estrangulador y el inyector.

 

 

Por su parte, en el mecanismo de inyección directa, el propio inyector introduce a alta presión la gasolina en la cámara de combustión, estando ya el aire comprimido, con lo que la gasolina se vaporiza y se quema en más plenitud que con el mecanismo de lumbrera, ahorrándose así combustible para una misma potencia entregada. La inyección directa requiere un mayor control que el mecanismo de lumbrera. Se representa este esquema en la segunda imagen.

La tendencia futura consiste en el encendido por compresión de mezcla homogénea, en el cual mientras el pistón asciende se inyectan el aire y el combustible, comprimiéndolos el primero, y así la combustión se arranca sin necesidad de chispa. De esta manera la mezcla arranca la explosión en muchos puntos diferentes, perdiéndose menos energía en forma de calor, con el consiguiente aumento de rendimiento. Para mayor potencia se podría usar también una bujía. Este mecanismo requiere concienzudos controles mediante sensores, lo que lo hace más difícil de implementar. En la siguiente imagen aparece la representación de este esquema de encendido.

 

 

Ahora bien, si lo que queremos es una alta potencia, debemos tener en cuenta que para poder quemar más combustible en un mismo intervalo de tiempo, habremos de aplicar más calor al mismo para poder encenderlo, y esto se consigue inyectando aire a alta presión en el cilindro. Una forma de hacerlo es mediante el turboalimentador o “turbo”, que aprovecha el ímpetu de los propios gases resultantes de la oxidación del combustible para acelerar una turbina solidaria –en el mismo eje- a un compresor, cuyas aspas sirven para acelerar a su vez el aire e inyectarlo a alta velocidad en el cilindro, consiguiéndose un gran volumen de aire comprimido en la cámara de combustión que lógicamente es capaz de entregar más energía térmica al combustible para el quemado de una mayor cantidad del mismo en menos tiempo –con el consiguiente aumento de potencia-. El inconveniente de este método de encendido es el tiempo de retardo que es indispensable para que los gases de escape logren acelerar la turbina, y por consiguiente son necesarios controles sofisticados en este mecanismo. La siguiente figura representa un turboalimentador.

 

 

Como remate de esta entrada, y como mejora del esquema del turboalimentador, hablaré del sobrealimentador, que es un mecanismo consistente en un rodete movido por una correa conectada al cigüeñal del motor, que absorbe el aire exterior y lo comprime, entregándolo comprimido al cilindro en el tiempo de admisión, de tal manera que no existe el retardo de tiempo que se producía en el esquema por turboalimentador, con la desventaja de conseguirse menos eficiencia que la que se conseguía con aquél.

 

 

Fuente de las imágenes de esta entrada : Revista de divulgación científica “Investigación y Ciencia”. Edición de mayo de 2010.

 

Visita al Museo Nacional de Ciencia y Tecnología de Madrid

 

Aprovechando que era sábado, y que no tenía otra cosa que hacer, he acudido al Museo Nacional de Ciencia y Tecnología, ubicado en el Paseo de las Delicias, al lado del Museo del Ferrocarril, en Madrid. La entrada es totalmente gratuíta y está abierto todos los días de la semana excepto los lunes. Ha resultado muy interesante e instructiva la visita, dado que las vitrinas exhíben verdaderas reliquias que nos aproximan a la infinita curiosidad e inquietud humana, que ha sido vital desde la época de las cavernas para resolver los problemas que se le plantearon a los hombres a lo largo de la historia y para conseguir que sus vidas fuesen más cómodas y productivas. La ciencia de matemáticos, ingenieros y científicos, la viva expresión de su talento, ingenio e inteligencia, es el legado que recibimos de nuestros antepasados y que cederemos de forma enriquecida a las generaciones venideras, y fue, es, y será, fundamental para nuestro mejor conocimiento del orden y la armonía del mundo, la antigua idea jonia del Cosmos, la primera de las revoluciones intelectuales, y que fue gestada en la cuna de la civilización.

La disposición actual del museo consta de una exposición fotográfica cambiante, de otra exposición inmutable, que engloba fundamentalmente instrumentos de medida, relojes, cámaras de fotografía, radios, fonógrafos, algún televisor, y vehículos a motor. Además de estas dos partes, hay una tercera que es cambiante y que actualmente lleva por nombre “QWERTY”, estando dedicada a la evolución histórica de las máquinas de escribir y de las máquinas tipográficas. 

A modo de reportaje, inserto a continuación una serie de fotografías, de cuyo contenido haré sucintas descripciones introductorias, para que se pueda ver una selección de las maravillas que encierra este pequeño pero interesante museo.

La primera fotografía representa un podómetro, instrumento provisto de una rueda y de un sistema de engranajes que actúan sobre el reloj marcador, que se utilizaba para mediciones de longitud entre diferentes puntos de jardines y sitios abiertos.

 

 

A continuación se observan dos brújulas de agrimensor (a la izquierda) y un grafómetro de pínulas (a la derecha). Estos aparatos servían para realizar planos sencillos y de poca precisión (los dos de la izquierda) y para planos y levantamientos de mayor precisión el de la derecha. Para confeccionar los planos primero se orientaba la brújula en relación al Norte magnético terrestre y a continuación se medían los ángulos necesarios con los que se subtendía la posición de los puntos a representar, así como las distancias a los mismos mediante cadenas de agrimensor, quedando pues representadas las ubicaciones mediante un sistema de coordenadas polares planas.

 

 

La siguiente fotografía representa un compás de artillería diseñado por el matemático y militar sevillano Luis Collado a finales del Siglo XVI. Mediante este artilugio era posible efectuar cálculos de artillería y de baluartes. Se podían obtener los diámetros y pesos de los proyectiles en función de su material, el proyectil adecuado a cada calibre, así como forzar a que la bala siguiera la trayectoria deseada en función de la inclinación y la carga del cañón.

 

 

La imagen que sigue muestra en su parte superior un compás de proporción, cuyo uso es equivalente al de los escalímetros actuales. En la parte inferior aparece un compás con cuadrante, una de cuyas caras sirve para cálculos astronómicos y zodiacales, estando la otra destinada a obtención de pesos y densidades en función del material.

 

 

A continuación aparece una fotografía en la cual se puede apreciar un radio latino, diseñado por Latino Orsini en el Siglo XVI, y que se utilizaba para medidas angulares en astronomía y arquitectura basadas en cálculos trigonométricos. Al plegarse presentaba la forma de una espada con su empuñadura.

 

 

La siguiente fotografía representa una brújula excéntrica de principios del Siglo XX, utilizada para la confección en topografía de itinerarios orientados, quedando todas las líneas orientadas en relación al Norte magnético. Idéntica utilidad tenía el instrumento de la segunda fotografía de este bloque de dos, el teodolito, el cual no sólo sirve para medidas angulares horizontales sino también verticales.

 

 

El planímetro, en la imagen que sigue, era un instrumento para utilizar sobre un plano y cuya utilidad consistía en que si se movía por los bordes de una figura plana irregular cerrada mostraba el área encerrada por dicho polígono.

 

 

A continuación muestro en la primera fotografía tal vez el más clásico de los aparatos de medición, el sextante, evolución técnica del octante, y que como bien sabido es, sirve para obtener el ángulo de un determinado astro, que puede ser el sol o un planeta o estrella brillantes, a su paso por el meridiano terrestre local, momento de su mayor altura sobre el horizonte. Esta medida es fundamental para obtener la latitud y longitud de una localidad, utilizándolo coordinadamente con un reloj cronómetro sincronizado con la hora local de un determinado meridiano de referencia. Es por ello que la utilidad del sextante ha sido impagable, para el desarrollo de las antiguas cartas de navegación y para la propia navegación en sí de los marinos. Como evolución natural del sextante se inventó el cuadrante de Davis, que aparece en la segunda fotografía de este bloque, y que permitía obtener las mencionadas medidas en posición de espaldas al sol, evitándose así el mirar directamente al astro en una operación que podía durar un tiempo significativo.

 

 

En la siguiente imagen aparece un compás azimutal, destinado a cuantificar la desviación entre los polos magnético y geográfico. Se puede observar que está montado en una montura Cardan, la misma que se empleaba para llevar el reloj cronómetro a bordo, y que servía para minimizar los efectos del bamboleo del barco en la precisión de las medidas.

 

 

El objeto que figura en la fotografía que sigue es una ballestilla, en concreto la única que se conserva completa en todo el mundo. Servía para mediciones angulares en astronomía y geodesia.

 

 

A continuación se exhíbe un conjunto de tres fotografías donde se pueden apreciar dos astrolabios distintos. El astrolabio es un instrumento astronómico, basado en el modelo geocéntrico, que se utilizó desde el Siglo II a.d.C. hasta mediados del Siglo XVI, y que representa un modelo a escala del cielo suponiendo la Tierra en el centro del universo. A pesar del error conceptual implícito, este aparato permite una precisión razonable a la hora de observar el movimiento aparente circumpolar de los astros, y en el cálculo de sus posiciones y distancias.

 

 

La esfera armilar, que muestro en la siguiente imagen, era un utensilio de tipo didáctico, que se empleaba para enseñar astronomía, explicar las estaciones del año, y otros elementos de mecánica celeste, utilizando el modelo geocéntrico que tanto tiempo dominó en el panorama cosmológico.

 

 

Sigue a continuación una fotografía de un planetario que simulaba los movimientos de la Tierra, la Luna, y los planetas, alrededor del sol, basado en una cuerda cuya energía alimentaba a los engranajes.

 

 

El regulador astronómico que aparece en la imagen que sigue, era usado en observatorios astronómicos para obtener con una gran precisión la hora exacta del paso de un astro determinado por el meridiano local, para así poder tabular las efemérides de los cuerpos objeto de estudio.

 

 

El siguiente objeto que muestro es un reloj de sobremesa construido por John Ellicot a mediados del Siglo XVIII, importante fabricante inglés de relojes y barómetros, inventor de un sistema de compensación para péndulos basado en el empleo de metales de distinto coeficiente de dilatación, miembro de la Royal Society, relojero de Jorge III, y que recibió importantes encargos de la Corte de España. Este reloj Ellicot que aparece en la fotografía tenía un planisferio celeste similar al que existe a 41º de latitud Norte, y que iba girando con el paso del tiempo, así como un sistema de sonería.

 

 

El siguiente reloj es un reloj de bolsillo mecánico con las complicaciones parejas a un modelo fechador perpetuo. En otras palabras, este reloj mecánico, que posee una gran complejidad en su interior, es capaz de marcar con exactitud el calendario completo, la hora y las fases lunares, sin necesidad de los continuos reajustes que hay que hacer por ejemplo en los cambios de mes en los relojes convencionales no fechadores.

 

 

Para ya finalizar inserto aquí un bloque de tres fotografías que muestran diferentes detalles de la máquina de cifrado Enigma, empleada por el ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial. El modelo que aquí se exhibe es el de cuatro rodillos (las había de tres y de cuatro rodillos). Como ya expliqué en la entrada sobre Alan Turing y los números computables, la máquina Enigma emplea un número singularmente descomunal de alfabetos de sustitución. Por cada pulsación de una letra los rodillos avanzan una posición, de modo que se cambia automáticamente el alfabeto de sustitución en dicho salto. De este modo para descifrar el mensaje era necesario conocer la posición de los cuatro rodillos para la primera pulsación y poseer una máquina del mismo número de rodillos que la cifradora, para ir reproduciendo el mensaje cifrado. La máquina basaba su funcionamiento en la formación de circuitos por los que circulaba la corriente. En realidad, mediante el concurso de los rodillos y de las clavijas, se iban creando circuitos cambiantes para el paso de la misma, ya que si se pulsaba dos veces seguidas la misma tecla nunca aparecía en la segunda pulsación el mismo carácter cifrado que en la primera, por haber cambiado el alfabeto de sustitución y equivalentemente la disposición de circuitos. El modelo que aquí se muestra ha sido cedido al museo por el CNI (Centro Nacional de Inteligencia).

 

 

En fin, que he pasado un buen rato. Esta selección que aquí enseño no representa ni mucho menos la totalidad de lo que allí se puede admirar. Es tan sólo eso, una selección personal basada en mi criterio. Y el reportaje gráfico que puede animar (o no) a visitar este magnífico museo ubicado en Madrid. 

 

La bomba de ariete y Joseph Montgolfier

 

 

 

El inventor francés Joseph Montgolfier patentó en el año 1796 un invento que a mi juicio es de un ingenio apabullante. La creación de este hombre pasó a ser conocida como la bomba de ariete, y es un mecanismo que únicamente empleando la energía que un pequeño salto de agua imprime en ésta, consigue elevar parte de ella a una altura muchísimo mayor que la de partida, sin el concurso de ningún tipo de motor o de otra fuente de energía. Se debe dejar bien claro que el mecanismo mencionado no es capaz, como es lógico según las leyes de la física, de subir todo el agua que se le entrega a una altura superior, sólo sube parte de ella. Esto no es de extrañar, puesto que en realidad lo que está haciendo la bomba es emplear la energía cinética del agua acelerada, agua que es después desperdiciada, para una vez almacenada como presión del depósito, entregársela al agua que es subida, consiguiéndose de este modo ganancia de altura para esa fracción de agua (que suele ser del 10 % del agua total que recibe la bomba) en relación a la altura de la fuente de agua desde donde ésta parte. Es imposible que se pueda subir todo el agua de entrada a una altura superior. Se estaría violando la ley de conservación de la energía, que viene a establecer que la energía mecánica inicial del agua es igual a la energía mecánica final en un cierto tiempo de evolución. Esta ley es fácil de entender en términos gravitatorios si pensamos que tanto si un grave aumenta su altura, a partir de una velocidad de partida desde la superficie terrestre, como si un grave aumenta su velocidad, a partir de la suelta de ese grave a velocidad cero desde la altura que alcanza según lo anterior hasta alcanzar dicha superficie, en ambos casos no estamos sino materializando la misma integral de elementos diferenciales de trabajo, o si se quiere de un modo equivalente, la misma integral de cantidades instantáneas de ímpetu por elemento diferencial de velocidad, sólo que según sentidos opuestos. Por ello ambas integrales son la misma y por lo tanto el fluido que cae desde una altura y es canalizado hacia abajo y luego hacia arriba, alcanzaría la misma altura en ambas ramas del tubo, que es lo que se conoce como principio de vasos comunicantes. En realidad, la ley de conservación de la energía a utilizar en los fluidos viene dada por el teorema de Bernouilli, el cual sirve de balance energético para un “tubo de corriente” del fluido bajo estudio, suponiendo un régimen laminar para ese “tubo de corriente”.

Como se puede observar en la imagen superior, el agua es canalizada desde el salto de agua, manantial, o río, que está a una altura superior a la bomba, hacia ésta mediante una tubería inclinada que suministra el agua a la bomba. La bomba tiene una ramificación hacia arriba que comunica con un depósito C por la mediación de la válvula B. La rama que sigue desde esa válvula B en adelante, por la parte de abajo, tiene a su fin otra válvula A, que comunica la tubería principal hacia afuera, preferentemente hacia un lugar donde el agua que por ella sale pueda ser reaprovechada para otros menesteres, o simplemente siga su discurrir por el mismo río o arroyo.

El funcionamiento de la bomba ariete se puede explicar en dos fases. La primera de ellas es la representada en la imagen superior y la segunda de ellas en la inferior.

En la fase inicial (imagen superior) el agua es acelerada en el conducto que proviene del salto de agua, simplemente por la imprescindible diferencia de alturas y la eventual presión ejercida donde se absorbe el agua si esta toma está bastante por debajo del nivel del arroyo o charca. Gracias a esa velocidad imprescindible y al ímpetu parejo a ella el agua empuja la válvula A y la hace avanzar hacia arriba, en cuyo avance parte de esa agua que está empujando bordea la válvula y sale al exterior, perdiéndose. Cuando la válvula A toca de repente con su tope superior (imagen inferior), la salida de agua hacia afuera es bloqueada. Como es lógico, por el principio de acción y reacción, exactamente la misma fuerza instantánea y de naturaleza impulsional (que se modelaría matemáticamente mediante una función delta de Dirac) con la que el agua cierra esa compuerta, y que no es sino el producto de la masa por la alta tasa de cambio instantánea de la velocidad de la misma por cesar su movimiento de repente, es transmitida en sentido contrario por la válvula al agua que está a su izquierda. En consecuencia, por el principio de Pascal, que establece que en un fluido la presión se propaga por igual en todas las direcciones, esa fuerza se transmite a través del agua hacia la izquierda y a su vez hacia arriba, hacia la válvula B, la cual se desplaza hacia arriba gracias a ese empuje, y en su avance deja pasar una cierta cantidad de agua al depósito C, bordeando la válvula, hasta que la presión por encima de la válvula B la hace bajar cortando el paso del agua del depósito hacia abajo. En este momento la presión por encima de dicha válvula está equilibrada con la de abajo. De esta manera se va agregando agua al depósito gradualmente, en sucesivos golpes, que suelen alcanzar un ritmo de uno o dos por segundo, hasta que el aire que se halla dentro de él está a una alta presión, por verse reducido a un espacio cada vez menor. La suma de esa presión que ejerce el aire más la presión hidrostática de la altura de agua creciente en el depósito, en el punto de salida de ésta hacia el lugar donde ha ser subida es la responsable de que el agua que va suministrando la mitad inferior de la bomba sea elevada hasta una gran altura, que puede ser incluso, con los convenientes ajustes y las medidas de diseño oportunas, de hasta 70 metros o más. Como es lógico, es imprescindible montar el depósito sin vaciarlo de aire, es decir, no se debe montar en vacío, porque sino sólo tendríamos la fuerza pareja a la presión hidrostática del agua del depósito para ir subiendo la que suministra la mitad inferior, y esta fuerza es muchísimo (¡¡ muchísimo !!) inferior en relación a cuando existe aire cada vez más comprimido en el depósito. En realidad el primordial responsable de la fuerza de subida es el aire comprimido del depósito, el cual viene a ser algo así como un acumulador de energía, que se obtiene mediante la suma de los sucesivos elementos de energía cinética que el agua desperdiciada va aportando golpe a golpe.

Este mecanismo fue muy popular desde su presentación, pero con la llegada de los motores monofásicos de corriente alterna y de las bombas rotativas que éstos mueven pasó a la categoría de manualidad. Estas bombas hacen el vacío en la tubería de subida desde el lugar de extracción, con lo cual el agua es absorbida hacia arriba empujada por la presión atmosférica y la presión de la altura del agua aplicadas en el punto de entrada a la tubería, y que por lo tanto le da una máxima profundidad posible a dicha tubería desde la bomba hasta la superficie del agua de 10,5 metros (equivalentes a la presión de una atmósfera). Ésta es la limitación física que no puede superar la bomba. Con una mayor profundidad, literalmente la columna de agua se desmoronaría, por pesar más que la atmósfera. La bomba de ariete, con estos avances, se dejó de utilizar, al menos en el mundo avanzado. Pero aún así hoy en día sigue empleándose en muchísimos lugares del mundo, lugares con diferentes grados de subdesarrollo, en los que no se dispone de estos medios de la modernidad o donde no se dispone de red eléctrica, y por qué no, también en lugares donde personas curiosas e inteligentes de oficios y ocupaciones de lo más variado, disfrutan de este invento que el señor Joseph Montgolfier tuvo la gentileza a finales del siglo XVIII de regalarnos con su ingenio sin parangón.

 

  

El tourbillon y Louis Abraham Breguet

 

 

En el año 1801 el relojero e inventor francés Louis Abraham Breguet patentó una complicación ideada fundamentalmente para los relojes de bolsillo, bajo el nombre de “tourbillon”. El tourbillon es un mecanismo que permite que el movimiento del centro de gravedad del volante de los relojes mecánicos que lo llevan no se vea afectado por la gravedad terrestre cuando el reloj tiene su caja en posición vertical, y que las oscilaciones del volante mantengan constante su amplitud promedio en el tiempo. Como los relojes mecánicos de pulsera suelen estar en posición horizontal mientras están en la muñeca de su dueño, a éstos no les afecta especialmente el uso del tourbillon, por lo que el empleo de esta complicación en ellos es considerado como un adorno, por otra parte muy cotizado.

Para contextualizar la descripción del tourbillon voy primero a describir cómo es fundamentalmente la mecánica de un reloj mecánico convencional sin esta pieza. En un reloj mecánico convencional existe una masa metálica que gira en un sentido y el otro cuando movemos la mano, llamado rotor o contrapeso, que tiene la misión de comprimir la espiral llamada cuerda, que es la que provee de energía al reloj, para lo que se vale de unos piñones de embrague. Gracias a ellos la cuerda es cargada tanto si el rotor se mueve en un sentido o en el otro, si el rotor carga energía en los dos sentidos, que es lo más corriente hoy en día. Es decir, estos piñones “rectifican” el giro del rotor en el sentido que no es de carga, convirtiéndolo en un giro en el único sentido de carga de la cuerda.

Cuando la cuerda está totalmente estirada, no está suministrando energía al volante, por lo cual el reloj está parado. Esta pieza, el volante, el propio corazón del reloj, consiste en un anillo metálico provisto de una delgada espiral que lo hace oscilar en un sentido y en el otro con un período de oscilación constante siempre que el reloj esté orientado en relación a la vertical del mismo modo. Debido al rozamiento con el aire, al calentamiento por rozamiento del eje del volante y al debido a la compresión y descompresión de la espiral, en cada ciclo de oscilación del volante existen pérdidas de energía que harían que el volante parase de oscilar si no se le suministrase energía. Para compensar estas pérdidas de energía, ésta se le suministra mediante un tren de engranajes que engrana en el dentado correspondiente al barrilete, el cual contiene la cuerda, y que transfiere la energía al volante mediante una pieza denominada escape, que es la primera rueda que recibe movimiento del volante, y se lo transmite gracias al impulso periódico de una horquilla llamada áncora que comunica el escape con éste. El tren de engranajes encargado de llevar la energía desde el eje de cuerda hasta el escape es un tren multiplicador de velocidad angular, puesto que lo que se necesita en el áncora es potencia en forma de movimiento, no de momento de fuerzas. Es poco el momento que se debe aplicar en cada ciclo para compensar las pérdidas, causando impulsión angular, y además el escape se mueve a gran velocidad. Si tuviésemos la potencia en forma de momento de fuerzas, sucedería asimismo que la cuerda se descargaría en seguida, ya que en el sentido inverso sería un tren multiplicador y forzaríamos el rápido movimiento del eje de cuerda, y además de ésto, se le comunicaría demasiada fuerza al volante, con lo que se estropearía la espiral y el reloj no marcharía.

En una descripción breve, se puede resumir el funcionamiento diciendo que, en un reloj mecánico hay una transferencia de energía desde la cuerda hacia el volante, en forma de pequeños impulsos de momento de fuerzas que absorbe el volante, consiguiendo así un sistema vibratorio armónico amortiguado forzado (el volante y su espiral forzados con el áncora); al mismo tiempo que la velocidad angular del volante es comunicada al escape y las ruedas que siguen a éste, reduciéndose en cada engrane según los cocientes entre los números de dientes parejos, de los que se obtendrían las correspondientes relaciones de transmisión, obteniendo así las velocidades de rotación necesarias para las agujas.

 

 

El movimiento del volante da lugar a que en cada ciclo avance un diente de la rueda de escape, lo que oímos como tic-tac del reloj. Si deseásemos que el reloj funcionase más rápido para que adelantase más, deberíamos acortar la longitud de la espiral del volante, quedando ésta más comprimida y con una constante elástica de torsión mayor; y si deseásemos un movimiento más lento deberíamos hacer lo contrario, esto es, alargar dicha espiral para que quedase menos comprimida y con menor constante elástica de torsión. A tal efecto existe un ajuste en el reloj. Para minimizar los rozamientos en los pivotes críticos, fundamentalmente el pivote del volante, se incrustan piedras en los apoyos de esos pivotes, suelen ser rubíes, para hacer lo menor posible el rozamiento, y para que no se desgasten los pivotes con tanto movimiento.

Por otra parte, a partir del movimiento del escape, gracias al tren de ruedas multiplicador que le transfiere la energía desde la cuerda, se obtiene una división sucesiva de su velocidad angular en el sentido contrario, hacia la rueda segunda o rueda de segundos, de ésta hacia la rueda primera, y de la primera a la rueda de centro, que es la que engrana en el dentado del barrilete o tambor (el que contiene en su interior la cuerda enrollada) respectivamente, que son las ruedas que giran a la velocidad de las correspondientes manecillas, de acuerdo con los ritmos necesarios para cada una de ellas.

 

 

Si la caja del reloj está en posición vertical, como es lógico, la gravedad hará que el volante baje más rápidamente que sube, y ésto descompensa aunque en una cantidad pequeña su movimiento, causando además una menor amplitud de sus oscilaciones. Para evitar esto, Breguet ideó el tourbillon. La complicación de “tourbillon” se basa en montar el trío formado por el volante, el áncora y el escape en una plataforma llamada jaula. Gracias al engrane del escape en una rueda fija en cuyo interior se monta la jaula, se consigue que este trío gire alrededor del eje de esa rueda fija, normalmente una vuelta cada minuto. Es por ésto que el movimiento de dicho eje de jaula se emplea como eje de minutos. Por ello, como el volante en cada minuto va variando homogéneamente su inclinación en relación al eje vertical terrestre parejo a la acción de la gravedad, por término medio se obtiene que ésta no afecta ni en el sentido de atrasar el reloj ni en el sentido de adelantarlo, y los minutos son siempre iguales. Como ya dije más arriba esto tiene sentido si la caja del reloj está continuamente en posición vertical, como es el caso de los relojes de bolsillo, pero en los relojes mecánicos de pulsera, la mejora que introduce el tourbillon en su funcionamiento es inapreciable.

En la actualidad se ha patentado una complicación en relojería mecánica conocida como girotourbillon, que no es otra cosa que un tourbillon “tridimensional”, que provee de dos ejes de giro en el espacio para el montaje del trío volante-áncora-escape, con lo que se compensan no sólo las variaciones de amplitud de la oscilación del volante debidas a una posición vertical de la caja, sino todas las variaciones de dicha amplitud causadas por cualquiera posición que presente ésta según una inclinación genérica en el espacio. En cualquiera de los casos, a pesar de que no deja de ser un adorno tan complejo y bello como innecesario, hay que reconocer que es una maravilla de la técnica de la relojería que mejora el funcionamiento del reloj, y que ésta tiene ya varios siglos de desarrollo.

En la fotografía superior se muestra un esquema de un reloj mecánico convencional, en la foto intermedia se aprecia el detalle del acoplamiento entre volante, áncora y escape. En las fotos inferiores se aprecia un tourbillon desmontado y montado, respectivamente.

 

 

Las máquinas aventadoras de cereal

  

 

Las aventadoras son unas máquinas agrícolas, cuyo objeto es el de, como la palabra indica, “aventar” el cereal, esto es, agitarlo y soplarlo con aire, para quitarle todas los posibles añadidos indeseados al mismo, tales como piedrecillas, trozos de paja, polvo, semillas de gramíneas y otras malas hierbas, y en general cualquier suerte de partículas con las que esté mezclado el cereal.

 

 

Las máquinas aventadoras fueron muy populares hace 50 años, cuando el trigo se separaba de la paja mediante máquinas desgranadoras tiradas por motores estacionarios -tales como los que yo he colocado en algunas entradas de mecánica-, y era necesario darle una o dos pasadas al cereal para quitarle toda la suciedad. Hoy en día esta tarea de separar el grano de la paja la realizan las modernas máquinas cosechadoras, especialmente preparadas para sacar un gran rendimiento en términos de superficie segada o grano recolectado por unidad de tiempo, y de gran eficacia sobre todo en grandes áreas de cultivo, y que van también dotadas de una pequeña aventadora dentro de su maquinaria, con lo cual el grano queda razonablemente limpio, dependiendo de la máquina y del maquinista.

 

 

Una de las principales empresas que durante el transcurso del siglo XX se dedicó a construir aventadoras fue la casa “Ajuria”, radicada en Vitoria. Ya hace mucho tiempo que echó el cierre, ante la llegada de la modernidad, y en general desconozco que existan empresas dedicadas hoy en día a hacer aventadoras. No obstante, la necesidad sigue ahí vigente, puesto que existen muchos agricultores que deciden sembrar cereales en sus terrenos de cultivo, con lo que nunca está de más el darle una o dos pasadas una vez recolectado el grano por la aventadora. Y es ahí donde entra mi padre, un hombre jubilado que mata su tiempo buscando antiguas máquinas para después entretenerse restaurándolas.

 

 

Mi padre pone las máquinas en buenas condiciones, prepara y sanea la madera, las pinta, e incluso les coloca un motor eléctrico, adaptado en revoluciones, pues originariamente la tracción era manual y ocasionaba un gran cansancio el tirar de la manivela durante la jornada de limpieza del cereal.

 

 

El funcionamiento de la aventadora es bien sencillo: el cereal se coloca en una arqueta situada en la parte superior, y este va bajando a través de una ranura por su propio peso y el movimiento de la máquina, hacia un conjunto de cribas que se hallan unas por encima de otras a distintos niveles y que se mueven hacia un lado y hacia el otro gracias al vaivén de una biela que convierte el movimiento rotatorio de la polea en movimiento lineal, el cual a su vez es convertido en movimiento de izquierda a derecha y de derecha a izquierda de las cribas. Al mismo tiempo, el motor mueve unas aspas en el interior de un bombo, cuya mision es la de generar una fuerte corriente de aire, a modo de ventilador, que es pasada al través del agitado cereal, con lo cual toda la suciedad del mismo es expulsada de él.

   

Los colectores de admisión y de escape en motores de más de un cilindro

  

  

Los colectores de admisión y de escape son unas piezas en forma de tuberías que aparecen en motores de explosión o de combustión de más de un cilindro. La misión de estas tuberías o colectores consiste en, como la propia palabra indica, recolectar en un conducto único el aire en la fase de admisión en motores diesel o la mezcla de aire y gasolina en esa misma fase en motores de gasolina, si se trata del colector de admisión; o bien recolectar en un único conducto los gases resultantes de la combustión del carburante en los cilindros. La razón de que sean necesarios estos colectores es bastante clara : no sería práctico utilizar tantos filtros de aire como cilindros del motor, y no sería práctico tampoco usar tantos tubos de escape como cilindros. Usando los colectores de admisión se consigue que el aire que pasa por un único filtro de aire, o bien la mezcla de aire y gasolina que sale por un único carburador pasen a  uno de los cilindros cuando está absorbiendo por estar al vacío creado por el movimiento descendente del pistón. Por otra parte, usando el colector de escape, los gases resultantes de la combustión del carburante son canalizados al tubo de escape (único), independientemente del cilindro donde se producen.

Como muestra de todo esto, reproduzco aquí dos fotografías de colectores de admisión y de escape en un motor Solé estacionario Diesel bicilíndrico. En la foto superior se puede apreciar claramente los dos colectores de dicho motor, en la parte superior centro de la imagen. Se observa que el colector de admisión está comunicado con el filtro del aire, el cual elimina de impurezas el aire que se absorbe en cada fase de admisión, las cuales podrían ser peligrosas para el motor pues podrían rayar la parte interna de los cilindros, perdiéndose compresión. En la mencionada fotografía el filtro del aire se puede ver en la parte inferior derecha.

En la foto inferior se puede apreciar el detalle de los dos colectores mencionados en el motor Solé estacionario ya comentado. En esta fotografía el tubo superior es el que canaliza el agua desde su paso por la culata hacia el radiador, y los dos tubos inferiores son los correspondientes a los colectores, el que está en la posición intermedia es el de admisión, mientras que el que está en la posición inferior es el de escape, comunicado con el tubo de escape, el que se halla abajo a la izquierda en posición vertical.

 

 

Los balancines de los motores

  

 

Los balancines son unas piezas metálicas que se pueden encontrar en los motores de explosión o combustión, ubicados sobre la culata, la cual está situada encima del bloque que aloja los cilindros. Su forma es la de unas pequeñas barras que por un lado toman contacto con las varillas empujadoras, las cuales comunican un empuje a uno de los extremos del balancín cuando la leva correspondiente del cilindro en cuestión levanta hacia arriba la varilla. Debido a este empuje el otro extremo del balancín se mueve hacia abajo, empujando a su vez la válvula, la cual se coloca en posición de “pisada”, permitiendo de este modo en el tiempo de admisión la admisión de aire (motores diesel) o de aire y gasolina (motores de carburación), si se trata de la válvula de admisión; o bien permitiendo la expulsión de los gases resultantes de la combustión del carburante en el tiempo de escape, si se trata de la válvula de escape.

Los balancines tienen en el extremo donde comunican el movimiento a las válvulas un muelle de recuperación, el cual tiene la misión de volver el balancín a su posición original equilibrada cuando la varilla ya se ha bajado de la leva, dando lugar como es lógico a que de nuevo la válvula correspondiente cierre el orificio en cuestión -ya sea el orificio de la válvula de admisión o el de la de escape-. Está claro que la posición relativa de las levas en el árbol de levas debe ser muy cuidada para que haya perfecta sincronía entre el movimiento del cigüeñal, el movimiento de las varillas, y el movimiento de las válvulas, dando lugar a los cuatro conocidos tiempos de cualquier motor de explosión.

En la foto más arriba se puede ver el detalle de los dos balancines de un motor estacionario clásico Matacás. Se observa que uno de ellos, el que mueve la válvula de escape, está movido hacia abajo, con lo cual la válvula de escape está en posición de “pisada” (tiempo de escape). El otro balancín está en su posición de reposo, con lo cual la válvula de admisión se encuentra cerrando el orificio correspondiente. Nunca pueden estar ambas válvulas “pisadas”, porque en ninguno de los tiempos eso debe ocurrir: en el de admisión está abierta la válvula de admisión y cerrada la de escape, en los de compresión y explosión están cerradas las dos válvulas, y en el de escape se halla abierta la válvula de escape y cerrada la de admisión.

En la mencionada foto superior se puede ver además abajo a la izquierda el hueco de la admisión de aire, que en teoría debería estar comunicado con el filtro de aire, para que el mismo entre filtrado en el cilindro, pero en este motor en concreto el filtro de aire no está montado. Se puede observar además un apoyo cilíndrico hueco en posición horizontal, a la altura del balancín de la válvula de admisión, donde se debe montar un mando -el motor Matacás tiene ese mando, pero en la fotografía no está montado- que tiene la misión de pisar la válvula de admisión mientras se le da manivela al motor en su arrancado, para evitar que la compresión del aire en la cámara de compresión cuando las dos válvulas están cerradas (sin pisar) impida el avance del cigüeñal y por consiguiente la propia acción de dar manivela, que sería inviable con las dos válvulas cerrando el cilindro.