Energía mecánica: potencial y cinética

Velocidad. Carburantes. Petróleo. Gasolina. Motores: automóviles, aviones, barcos

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  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
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Índice

- Introducción 1

- La Energía Mecánica 2-3

- El Petróleo 4-5

- La Gasolina 6

- EL Automóvil 7

- El Avión 8

- Los Barcos 9

Introducción.

De todos los cambios que sufre la materia, los que le interesan a la mecánica son la posición y velocidad, se divide en dos energías. La energía que poseen los cuerpos o sistemas en virtud recibe el nombre de energía potencial. La forma de energía asociada a los cambios de velocidad recibe el nombre de energía cinética.

El petróleo es de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas, se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre, el petróleo y sus derivados se emplea para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, plásticos, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad. Hoy en día todo el mundo depende del petróleo y sus derivados todos los tipos de petróleos están compuestos por hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre varía entre un 0,1% y un 5%.

La gasolina, mezclan para fabricar gasolina, se utiliza para fabricar otros productos, las partes del petróleo utilizadas en la gasolina se hierven y se destilan en una gama de temperaturas que varían entre los 38 y los 2050 C, la gasolina de alto grado se consigue mediante un proceso conocido como hidrofinado.

El automóvil, se basa en dos motores diferentes que son el motor de gasolina y el motor diesel. El motor de gasolina cuenta de dos a cuatro tiempos, en cada ciclo se producen cuatro movimientos de pistón (tiempos), llamados de admisión, de comprensión, de explosión o fuerza y de escape. El motor diesel también cuenta de cuatro tiempos explicado por el motor de gasolina.

Los aviones, se basan en dos motores diferentes, el motor de reacción y el motor de pistón, el de reacción se basa en tres grupos, turborreactor, turbopropulsor y el cohete el turbopropulsor se instala en aviones de tamaño medio y desarrolla velocidades entre los 480 y 640 km/h. El de pistón puede ser de dos tipos cilíndrico y rotativo se utiliza en aviones propulsados por hélice.

Los barcos son innovaciones de gran influencia en el comercio mundial los porta contenedores y los petroleros. Los porta contenedores transportan medidas estándar (6 m por 2,4 m). Los petroleros construidos para transportar el enorme trafico de petróleo, que son pesos en miles de toneladas dependiendo del tamaño del barco y su motor.

La energía mecánica

De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que más interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánico de un cuerpo, de modo que este puede cambiar porque cambie su posición o porque cambie su velocidad. La forma de energía asociada a los cambios en el estado mecánica de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de energía mecánica.

- Energía Potencial:

La energía potencial, por lo tanto, es la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o de su configuración (conjunto de posiciones). Así el estado de mecánico de una piedra que se eleva a una altura dada no es el mismo que el que el que tenia a nivel del suelo: ha cambiado su posición. En un muelle que es tensado, las distancias relativas entre sus espiras aumentan. Su configuración ha cambiado por efecto del estiramiento. En uno y otro caso el cuerpo adquiere en el estado final es capaz de romper un vidrio al chocar contra el suelo y el muelle puede poner en movimiento una bola inicialmente en reposo.

- Energía Cinética:

La forma de energía asociada a los cambios de velocidad recibe el nombre de energía cinética. Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento, esto es, de cambiar la velocidad de otros. La energía cinética es, por lo tanto, la energía mecánica que posee un cuerpo en virtud de su movimiento o velocidad.

- Conservación de la energía mecánica:

Cuando se consideran únicamente transformaciones de tipo mecánico, es decir, cambios de posición y cambios de velocidad, las relaciones entre trabajo y energía se convierten de hecho en ecuaciones de conservación, de modo que si un cuerpo no cede ni toma energía mecánica mediante la realización de trabajo, la suma de la energía cinética y energía potencial habrá de mantenerse constante. Eso es lo que también se deduce de la ecuación. En efecto, sí.

- Disipación de la energía mecánica:

Salvo en condiciones de espacio vacío (como ocurre en el espacio exterior a la atmósfera terrestre), los cuerpos se mueven en presencia de fuerzas de rozamiento que se oponen al movimiento y que tienden, por lo tanto, a frenarlo. Estas fuerzas se denominan también disipativas porque restan energía cinética a los cuerpos en movimiento y la disipan o desperdician en forma de calor.

El que sobre un cuerpo actúen fuerzas de rozamiento significa, desde el punto de vista de la energía en juego, que se produce una pérdida continua de energía calórica. En tales casos la conservación de la energía mecánica deja de verificarse y con el tiempo toda la energía mecánica inicial termina disipándose.

En el caso de un péndulo real el rozamiento de la cuerda con el punto de suspensión y de la esfera con el aire va disipando energía en mecánica, de modo que en cada oscilación la altura alcanzada es cada vez menor y al cabo de un cierto tiempo la esfera termina por pararse en el punto mas bajo, agotando así tanto su energía potencial. Esta es la razón por la cual es preciso “dar cuerda” a un reloj de péndulo, es decir, comunicarle por algún procedimiento una energía adicional que le permita compensar en cada oscilación las perdidas por rozamientos y mantener el movimiento durante intervalos de tiempo muy largos.

El Petróleo

Petróleo, liquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Las sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de movilidad por tierra, mar y aire indispensable hace solo 100 años. Además el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plásticos, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.

Las naciones de hoy en día dependen del petróleo y sus productos; la estructura física y la forma de vida de las aglomeraciones periféricas que rodean las grandes ciudades son posible gracias a un suministro de petróleo abundante y barato. Sin embargo, en los últimos años ha descendido la disponibilidad mundial de esta materia, y su costo relativo ha aumentado. Es probable que, a mediados del siglo XXI el petróleo ya no se use comercialmente de forma habitual.

Características:

Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre varía entre un 0,1% y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varia desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general hay pequeñas cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo esta asociado con un deposito de gas natural.

Existen tres grandes categorías de petróleos crudos (denominados a veces simplemente “crudos”): los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta. Los petróleos parafínicos están compuestos por moléculas en las que el número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número de átomos de carbono. Las moléculas características de los petróleos asfálticos son los naftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono. Los petróleos de base mixta contienen hidrocarburos de ambo tipos.

- Proyecciones:

Es probable que en los próximos años se realicen descubrimientos adicionales y se desarrollen nuevas tecnologías que permitan aumentar la eficiencia de recuperación de los recursos ya conocidos. En cualquier caso, el suministro de crudo alcanzará hasta las primeras décadas del siglo XXI. Sin embargo, según los no hay casi perspectivas de que los nuevos descubrimientos e inversiones amplíen la disponibilidad del petróleo barato mucho más allá de ese periodo. Por ejemplo, el campo petrolero de Prudhoe Bay. Se prevé que la cantidad de crudo que se podrá recuperar en ese campo será de unos 10.000 millones de barriles, suficientes para cubrir las necesidades actuales de Estados Unidos durante algo menos de dos años; sin embargo, en Occidente sólo se ha descubierto un campo así en más de un siglo de prospecciones. Además, las nuevas perforaciones no han detenido la disminución continua de las reservas mundiales de crudo que comenzó durante la década de 1970.

- Alternativas:

A la vista de las reservas disponibles y de las pesimistas proyecciones, parece evidente en el futuro harán falta fuentes de energía alternativas, aunque existen muy pocas opciones si se tienen en cuenta las ingentes necesidades de energía del mundo industrializado. La recuperación de esquistos petroleros y la producción de crudo sintético todavía tienen que demostrar su viabilidad, y hay serias dudas sobre la competitividad de los costes de producción que pueden lograrse con estas posibles nuevas fuentes.

Los distintos problemas y posibilidades de fuentes alternativas como la energía geométrica, la energía solar y la energía nuclear se analizan en el artículo de recursos energéticos. El único combustible alternativo capaz de cubrir las enormes necesidades de energía del mundo actual es el carbón, cuya disponibilidad planetaria está firmemente establecida. El aumento previsto de su empleo llevaría aparejado un aumento del uso de la energía eléctrica basada en el carbón, que se utilizaría para un número cada vez mayor de procesos industriales. Es posible que se pueda regular su uso gracias a la moderna tecnología de ingeniería, con un reducido aumento de los costes de capital y de explotación.

La Gasolina

Mezclan para fabricar gasolina. Las fracciones del petróleo que tienen puntos de función más altos se utilizan para fabricar otros productos, como el queroseno, el gasóleo, el aceite lubricante y las grasas. Las partes del petróleo utilizadas en la gasolina hierven y destilan en una gama de temperaturas entre los 38 y los 205o C. Según el tipo de petróleo, la cantidad producida de gasolina durante este proceso puede ser de un 1 a un 50%. La gasolina de destilación constituye hoy una pequeña parte de los derivados del petróleo, dado que se obtienen mejorados resultados con los procesos de craqueo.

Algunos gases naturales contienen un porcentaje de gasolina natural que puede recuperarse mediante condensación y adsorción. El proceso más habitual para la extracción de este componente consiste en hacer pasar el gas extraído del pozo a través de una serie de torres que contienen un aceite ligero denominado aceite de paja. El aceite absorba la gasolina, que se destila posteriormente. Otros procesos implican la adsorción de la gasolina con alúmina activa, carbono activado o gel de sílice.

La gasolina de alto grado se consigue mediante un proceso conocido como hidrofinado, es decir, la hidrogenación de petróleo refinado a alta presión y con un catalizador, como por ejemplo él oxido de molibdeno. El hoidrofinado no solo convierte el petróleo de bajo valor en gasolina de alto valor, sino que al mismo tiempo purifica químicamente el producto eliminando elementos no deseados, como el azufre, el carbón y el alquitrán de hulla pueden también hidrogenarse para producir gasolina.

Es recomendable utilizar en los motores de alta comprensión una gasolina que se queme de manera uniforme y total para prevenir las detonaciones, que son los sonidos y los daños causados por la ignición prematura de una parte del combustible y del aire en la cámara de combustión. Las propiedades antidetonantes de este combustible están relacionadas directamente con su eficiencia y dependen del índice de octanos. Este índice indica el rendimiento de un combustible cualquiera comparándolo con el de un combustible que contiene un porcentaje determinado de isooctano y heptano. Cuanto mayor sea este índice, menor es la probabilidad de que el combustible produzca detonaciones. La gasolina obtenida mediante craqueo tiene mejores propiedades antidetonantes que la de destilación, y cualquier gasolina puede mejorarse mediante la adición de sustancias como el tetratilplomo.

Sin embargo, desde que se descubrió que las emisiones de plomo de muchas gasolinas son peligrosas (entre otros efectos, producen el incremento de la presión sanguínea) se ha intensificado la investigación de nuevas formas de reducir su detonación.

La gasolina sin plomo aparece a principios de la década de 1970 como resultado del aumento de la concienciación pública acerca de la contaminación atmosférica. Desde 1975 todos los automóviles nuevos fabricados en Estados Unidos cuentan con catalizadores que reducen las emisiones contaminantes.

El Automóvil

Motor de gasolina:

Los motores de gasolina pueden ser de dos o cuatro tiempos. Los primeros se utilizan sobre todo en motocicletas ligeras, y apenas se han utilizados en automóviles. En el motor de cuatro tiempos, en cada ciclo se producen cuatro movimientos de pistón (tiempos), llamados de admisión, de comprensión, de explosión o fuerza y de escape. En el tiempo de admisión, el pistón absorbe la mezcla de gasolina y aire que entra por la válvula de admisión. En la compresión, las válvulas están cerradas y el pistón mueve hacia arriba comprimiendo la mezcla. En el tiempo de explosión, la bujía inflama los gases, cuya rápida combustión impulsa el pistón hacia abajo. En el tiempo de escapa, el pistón se desplaza hacia arriba evacuando los gases de la combustión a través de la válvula de abajo.

El movimiento alternativo de los pistones se convierte en giratorio mediante las bielas y el cigüeñal, que a su vez transmite el movimiento al volante del motor, un disco pesado cuya inercia arrastra al pistón en todos los tiempos, salvo en el de explosión, en el que sucede lo contrario. En los motores de cuatro cilindros, en todo momento hay un cilindro que subministra potencia al hallarse en el tiempo de explosión, lo que proporciona una mayor suavidad y permite utilizar un volante más ligero.

El cigüeñal está conectado mediante engranajes u otros sistemas al llamado árbol de levas, que abre y cierra las válvulas de cada cilindro en el momento oportuno.

A principios de la década de 1970, un fabricante japonés empezó a producir automóviles impulsados por el motor de combustión rotativo (o motor Wankel) inventado por el ingeniero alemán Félix Wankel a principios de la década 1950. Este motor en el que la explosión del combustible impulsa un rotor en el lugar de un pistón, puede llegar a ser un tercio más ligero que los motores corrientes.

Motor Diesel:

Los motores diesel siguen el mismo ciclo de cuatro tiempos explicado en el motor de gasolina, aunque presentan notables diferencias con respecto a éste. En el tiempo de admisión, el motor diesel aspira aire puro, sin mezcla de combustible. En el tiempo de compresión, el aire se comprime mucho más que en el motor de gasolina, con lo que alcanza una temperatura extraordinariamente alta. En el tiempo de explosión no se hace saltar ninguna chispa --los motores diesel carecen de bujías de encendido—sino que se inyecta el gasoil en el cilindro, donde se inflama instantáneamente al contacto con el aire caliente. Los motores de gasoil no tienen carburador; el acelerador regula la cantidad de gasoil que la bomba de inyección envía a los cilindros.

Los motores diesel son más eficientes y consumen menos combustible que los de gasolina. No obstante, en un principio se utilizaban sólo en camiones debido a su gran peso y a su elevado costo. Además, su capacidad de aceleración era relativamente pequeña. Los avances realizados en los últimos años, en particular la introducción de la turboalimentación, han hecho que cada vez se usen cada vez más automóviles; sin embargo, subsiste cierta polémica por el supuesto efecto cancerigeno de los gases de escape (aunque, por otra parte, la emisión de monóxido de carbono es menor en este tipo de motores).

El Avión

El motor de reacción:

Se basa en el principio de acción y reacción y se divide en tres grupos: el turborreactor, el turbopropulsor y el cohete. En el turborreactor, el aire que entra en el motor pasa a través de un compresor, donde aumenta su presión. En la cámara de combustión se le añade el combustible, que se quema y aumenta su temperatura y el volumen de los gases. Los gases de la combustión pasan por la turbina, que a su vez mueve el compresor de entrada, y salen al exterior a través de la tovera de escape, diseñada para aumentar su velocidad, produciendo así su empuje desead. Este motor puede alcanzar velocidades supersónicas. El turbopropulsor es un motor de reacción en el que la energía cinética de los gases escapa para mover la hélice. Se instala en aviones de tamaño medio y desarrolla velocidades entre 480 y 640 km/h. Por último, el cohete es el que contiene el comburente y el combustible, y es el que impulsa los proyectiles teledirigidos. También se han usado cohetes con combustible sólido para suministrar empuje adicional durante la carrera de despegue a aviones de hélice con mucha carga. El motor turbofán es una modalidad de propulsión a chorro en el que la parte del flujo de aire, impulsado por los compresores, sale directamente hacia el exterior produciendo empuje igual que una hélice; también se llama de doble flujo y en los motores grandes la potencia así subministrada puede puede superar a la del flujo primario. Lo utilizan la mayor parte de los grandes aviones comerciales, ya que consume menos combustible, hace menos ruido y es muy fiable; no puede alcanzar velocidades supersónicas, pero se aproxima a ellas. Se desarrollan algunos otros tipos de motores de reacción, como el pulsorreactor, que impulsaba la bomba volante alemana V-1, o el estatorreactor, que se necesita grandes velocidades para arrancar, usándose sólo como motor auxiliar para aviones supersónicos de velocidades superior a Mach 2. Ambos motores tienen un consumo de combustible muy alto.

Motor de pistón:

Se utiliza en los aviones propulsados por hélice. Puede ser de dos tipos: de cilindros y rotativo. En los primeros, la energía mueve los pistones que trabajan dentro de cilindros colocados en línea, opuestos horizontalmente o en estrella. Para refrigerarlos se usa aire o un liquido refrigerante, y queman como combustibles distintos tipos de gasolina. Su ventaja estriba en la fiabilidad y el bajo consumo. El motor rotativo sustituye los cilindros por un mecanismo rotativo con menor número de piazas móviles, que produce, por lo tanto, menos vibraciones. Se utiliza para pequeños aeroplanos. El motor turboalimentado consiste en un conjunto de cilindros provisto de una turbina acondicionada por la energía cinética de los gases de escape. La turbina mueve a su vez un compresor que aumenta la presión de entrada del combustible en la cámara de combustión. Esto compensa en parte la pérdida debida a la altura y permite que el menor opere con suficiente potencia a grandes altitudes. Una variante de esta idea utilizada la misma energía de los gases de escape por medio de turbinas para aplicar empuje mecánico al cigüeñal. Estos tipos de motores turboalimentados equiparon a los aviones estadounidenses e ingleses durante la II Guerra Mundial.

Los Barcos

Dos innovaciones recientes en tipos de barcos han tenido gran influencia en el comercio mundial, aunque los barcos en si mismos no son técnicamente notables. Los porta contenedores transportan contenedores de medidas estándar (6 m por 2,4 m) de una aleación de aluminio, dentro de los cuales puede almacenarse una gran variedad de carga. Las ventajas económicas de este sistema incluyen la reducción de los costes de mano de obra de mano en los puertos, una reducción del tiempo de estancia en los mimos, menores perdidas por hurtos y una transferencia al transporte terrestre más eficaz.

Los petroleros, construidos para transportar el enorme tráfico del petróleo tras la II Guerra Mundial, son de un diseño sencillo en extremo. La maquinaria se concentra en la popa y en la práctica todo el casco a proa lo ocupan tanques que contienen carga liquida. Debido a que los petroleros viajan desde las áreas productoras del petróleo a las terminales de descarga, repitiendo por lo general el mismo viaje muchas veces, las tripulaciones son reducidas, y una gran parte de la maquinaria del buque se controla de forma automática. La facilidad de construcción de los petroleros ha derivado en un gran aumento de tamaño; actualmente, navegan por los océanos muchos petroleros de cientos miles de toneladas métricas, empequeñeciendo a los grandes transatlánticos.

Mecánica y dirección.

La mecánica y la dirección de la embarcación se componen de:

- Motor de 40 HP Volvo, con sail drive y alternador, refrigerado por agua de mar con tanque de gasoil.

- Control de motor en bañera.

- Panel de instrumentos del motor con tacómetro y alarma.

- Hélice plegable de dos palas Radicce.

- Timón de espada compensado hecho a mano con cojinetes especiales autoalineables.

- Piloto automático (opcional).

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