Pregunta Problematizadora
¿Como estudia la física el funcionamiento y la velocidad de los trenes, y porque su avance a beneficiado tanto a la sociedad?
Objetivo General
Conocer mas a fondo de que manera este avance a cambiado su funcionamiento para facilitarle el acceso a las personas y que estas sean beneficiadas, ya que ha evolucionado para una mejor utilidad para todos.
Objetivos Específicos
1-Investigar como la física estudia el funcionamiento y evolución de los trenes
2-Sacar una conclusión de acuerdo con lo investigado, con este tema para transmitir una buena información al grupo.
3-comparar como intervenía la física en el funcionamiento de los trenes anteriores y como ahora en la actualidad se estudia, ya que a avanzado de tal manera que su velocidad es mas rápida.
Justificación
Se denomina tren a un medio de transporte que circula sobre carriles compuestos por uno o mas vagones y destinado al transporte ferroviario y funciona mediante medios mecánicos por una vía diseñada solo para el, el ferrocarril puede ir por rieles, cables y otras vías diseñadas para la levitación magnética. ahí es donde la física influye en el funcionamiento de los trenes aplicando tecnología que hace que la evolución de este sea de gran beneficio para los usuarios, haciendo que su tiempo sea cada vez mínimo, en el recorrido.
Por esta razón la física es tan importante, ya que ha influenciado al avance de los trenes, aumentando cada vez mas su velocidad, realizando estudios|avanzados acerca de las partes que componen el tren buscando así que este cada vez obtenga mas rapidez. La profundización de este tema es relevante para así saber como los trenes con la ayuda de la física dan beneficio a las personas ya que con este pueden desplazarse fácilmente.
MARCO TEÓRICO
EL TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA O TREN A GRAN VELOCIDAD
EL TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA O TREN A GRAN VELOCIDAD
Es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de la levitación magnética.
Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo sobre ruedas convencionales. La tecnología de levitación magnética tiene el potencial de superar 6.440 km/h (4.000 mph) si se realiza en un túnel al vacío.1 Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.
La mayor velocidad obtenida hasta ahora fue de 603 km/h en la ruta Yamanashi el 21 de abril de 2015.2 Unos días antes llegó a alcanzar los 590 km/h,3 el 16 de abril de 2015, en la misma ruta, siendo 15 km/h más rápido que el récord de velocidad del TGV convencional.
¿COMO FUNCIONA
EL TREN DE LEVITACIÓN
MAGNÉTICA?
El principio de
funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de
la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes superconductores del tren
y las bobinas de la vía.
El sistema de propulsión del
vehículo es un motor síncrono lineal:
* El inductor son las bobinas trifásicas
colocadas en la vía.
* El inducido son las bobinas
superconductoras del tren. La
vía se
Divide en partes de una determinada
longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie
entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la
toma de corriente mediante un interruptor de sección.
El sistema de levitación está compuesto por un
imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía, las cuales
pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto.
Cuando el vehículo se mueve
lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si
el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es
resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de
resistencia que se opone al movimiento.
Como este sistema se basa en
la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero
cuando está parado. La fuerza de levitación aumenta con la velocidad del
vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la
fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega.
Además el sistema de
levitación genera una fuerza lateral que debe ser considerada y anulada por el
sistema de guiado.
El sistema de guiado se basa en el mismo
principio que el sistema de levitación. La diferencia entre ambos reside en que
el sistema de levitación actúa siempre para generar una fuerza que soporte el
peso del vehículo, mientras que el sistema de guiado genera una fuerza sólo
cuando el vehículo se desplaza lateralmente; por todo esto se suelen conectar
entre sí las bobinas de ambos lados de la vía.
Características del tren :
La ausencia de contacto
físico entre el riel y el tren hace que la única fricción sea con el aire, y
esta se reduce al mínimo por su forma aerodinámica. Los trenes maglev pueden
viajar a muy altas velocidades, con un consumo de energía elevado para mantener
y controlar la polaridad de los imanes y con un bajo nivel de ruido (una
ventaja sobre el sistema competidor llamado Aero tren), pudiéndose llegar a
alcanzar 650 km/h, aunque el máximo probado en este tren es de 603 km/h. Estas
altas velocidades hacen que los maglev puedan llegar a convertirse en
competidores directos del transporte aéreo.
Como inconveniente destaca
el alto costo de las líneas, lo que ha limitado su uso comercial. Este alto
costo se deriva de varios factores importantes: el primero y principal es el
altísimo costo de la infraestructura necesaria para la vía y el sistema
eléctrico, y otro no menos relevante es el alto consumo energético. Debido a
que en la fuerza electromagnética el principal factor limitante en cuanto al
diseño y al consumo es el peso del tren, esta tecnología no es aplicable
actualmente al transporte de mercancías, lo cual limita enormemente las
posibilidades de este sistema.
Otros recorridos están en
estudio, principalmente en China y Japón. En Alemania se ha desechado de
momento la construcción de líneas maglev para pasajeros a causa de su oneroso
costo de construcción y mantenimiento.
Es un sistema de transporte
que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente
trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la
propulsión a base de la levitación magnética.
Este método tiene la ventaja
de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo
sobre ruedas convencionales. La tecnología de levitación magnética tiene el
potencial de superar 6.440 km/h (4.000 mph) si se realiza en un túnel al
vacío.1 Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la
levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la
mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire,
al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.
La mayor velocidad obtenida
hasta ahora fue de 603 km/h en la ruta Yamanashi el 21 de abril de 2015.2 Unos
días antes llegó a alcanzar los 590 km/h,3 el 16 de abril de 2015, en la misma
ruta, siendo 15 km/h más rápido que el récord de velocidad del TGV
convencional.
HISTORIA
DE ESTOS TRENES
Se han otorgado patentes de
transportes de alta velocidad a varios inventores en diversas partes del mundo:
Hermann Kemper (Alemania)4 Las primeras patentes de Estados Unidos para un tren
propulsado por un motor lineal fueron otorgadas al inventor Alfred Zehden
(Alemania). El inventor obtendría las patentes US patent (782312) (21 de junio
de 1902) y la US patent (RE12700) (2 de agosto de 1907). Esas patentes serían
citadas luego por los libros Electromagnetic apparatus generating a gliding
magnetic field (Aparatos electromagnéticos que generan campo magnético
deslizante), de Jean Delassus, Air cushion supported, omni
Hamburgo,
Alemania 1979
Transrapid 05 fue el primer
tren de alta velocidad (maglev) con propulsión de estator largo patentado para
transporte de pasajeros. Se instaló en Hamburgo en 1979 para la Exposición de
Transporte Internacional (International Transportation Exhibition– IVA 79),
sobre una vía de 908 metros. Hubo tanto interés que estuvo funcionando durante
tres meses después de concluir la Exposición, llegando a transportar 50.000
pasajeros. Fue reensamblado en Kassel en 1980.
Birmingham, Inglaterra 1984-1985
El primer maglev de baja
velocidad totalmente automatizado fue el que circuló desde el Aeropuerto
internacional de Birmingam hasta la Estación de trenes internacional de
Birmingam entre 1984 y 1985.
TREN EN LA ACTUALIDAD
HIPÓTESIS
1-
La física explica el funcionamiento de estos trenes mediante un mecanismo
electromagnético el cual lo que hace es (literalmente) suspender al tren sobre
sus rieles, cuando estos se activan. Cuando inicia el generador crea un campo
magnético en placas que se encuentran abajo del tren las cuales funcionas como
grandes imanes, de esta manera con inclinarlos repelen a los rieles y el tren
avanza sin fricción con el suelo (por lo que es muy rápido).
2-
El avance de los trenes ha beneficiado a la sociedad debido a la gran capacidad
de transporte ya que son más seguros y
menos contaminantes que otros medios. El uso de los trenes ha generado
muchas ventajas a las personas tanto económicas ambientales y sociales debido a
su gran velocidad para transportar, este favorece el aprovechamiento del tiempo
en los viajes y genera más comodidades a las personas ya que cuenta con un
sistema de confort y velocidad a un precio racionable a la sociedad.
3-
El uso de los trenes también beneficia a las personas que no cuentan con un
permiso para conducir ni un vehículo para transportarse, sirve para facilitarle
a la gente el transporte de carga. Este medio de transporte puede reducir los
accidentes, el congestiona miento y la pérdida de vidas humanas, permite
reducir gastos sustanciales de recursos no renovables como el combustible. Y
también permite Igualdad social porque todas las personas pueden acceder a él sin restricciones.
TRABAJO DE CAMPO
Visitamos el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, para una explicación e información acerca de los trenes de levitación magnética.
INFORMACIÓN ACERCA DEL TREN PROPORCIONADA DESDE EL POLITÉCNICO
- El tren viaja a 600km/h
- Para el funcionamiento del tren se utilizan imanes que no se atraen para que el tren pueda volar, ya que las propiedades de cada imán hacen que sean opuestas.
- Para el tren se utiliza el principio físico de la repulsión de los polos magnéticos positivos y negativos, cuando quedan de signos iguales no se atraen y cuando están de signos contrarios las fuerzas se atraen. el riel de arriba nunca se junta con el de abajo ya que los polos opuestos causan repulsión.
- El motor del tren es eléctrico, y no produce contaminación, y no funciona con gasolina o sea es un aparato que no produce dióxido de carbono y es amigable con el medio ambiente ya que ayuda a su conservación.
- Los cables de arriba que tiene el tren se llaman catenares, y son los ayudan a gran parte del funcionamiento del tren y también todo depende mucho de la electricidad y de los campos magnéticos.
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Buscamos y encontramos una investigación en un
documento de PDF en la cual se encontró el
funcionamiento de los trenes y sacamos la siguiente información:
Sistema de Funcionamiento del Tren de Levitación Magnética de Alta Velocidad
A continuación se exponen los
cuatro principios básicos por los cuales funciona
un tren maglev.
1. Principio de levitación
magnética
La levitación en un tren maglev,
se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a
fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir,
según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspensión o
suspensión electromagnética) o EDS . La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que
en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las
bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la
levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas.
- Suspensión electromagnética
En el caso del EMS, la parte
inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que
no posee magnetismo permanente. Cuando se ponen en marcha los electroimanes
situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Ya que el carril
no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en dirección a éste
elevando con ellos el tren completo. Sensores en el tren se encargan de regular
la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una
distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanes encargados
de la guía lateral del vehículo serán colocados en los laterales del tren de
manera que quede garantizado su centrado en la vía (esto se detalla en el punto
1.3).
- Suspensión Electrodinámica
La levitación EDS se basa en la
propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que
intente penetrar en ellos. Esta propiedad se da en superconductores y es
llamada Efecto Meissner, como se explicó con anterioridad. La suspensión, por
tanto, consiste en que el superconductor rechazará las líneas de campo
magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación
del tren. En diversos prototipos de suspensión EDS se ubica un material superconductor
a los lados de la parte inferior del vehículo, tal como puede observarse en la
figura:
2. Principio de guía lateral
Los maglev necesitan, además del
sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el
vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas
que pueda sufrir. En la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los
laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados para permitir al
tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente,
ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se aleje de la vía. En el
sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados
del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por
debajo del carril-guía formando un lazo:
Así, cuando el vehículo se
desplaza lateralmente, una corriente eléctrica es inducida en el lazo, lo que
da como resultado una fuerza repulsiva del lado más cercano a las bobinas de
levitación, obligando al vehículo a centrarse. Si el tren por alguna causa se
hundiese en el carril-guía este respondería con un aumento de la fuerza
repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento; en contraste con el sistema
EMS en el cual la fuerza atractiva aumenta si el vehículo se acerca a la guía.
3. Principio de propulsión
Un tren maglev es propulsado
mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un
motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo
largo del carril-guía en ambos lados, como se ve en la figura:
La propulsión, tanto en EDS como
en EMS, se logra generalmente mediante la utilización del LSM, linear
synchronous motor o motor lineal síncrono.
- Motor Lineal Síncrono
Este sistema de propulsión
utiliza como estator un circuito de bobinas sobre la vía, por el cual circula
una corriente alterna trifásica controlada. El rotor esta compuesto por los
electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en
un EDS. El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa
con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión de
polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante, como muestra
la figura:
Este campo magnético (también
llamado "onda magnética") viajará junto al tren a través del
carril-guía, permitiéndole a este acelerar. Así, el rotor viajará a la misma
velocidad que el campo magnético.
Los trenes maglev, gracias a su
sistema de propulsión, son capaces de circular por desniveles de hasta 10
grados, en contraste con los trenes convencionales que sólo pueden circular por
pendientes con desniveles de hasta 4 grados.
Además la velocidad que alcanzan
los trenes maglev es muy superior a la alcanzada por los trenes convencionales
(inclusive los trenes eléctricos), llegando hasta 500 Km/h (hasta el momento) y
su consumo es de solamente un 40 % del combustible usado por un automóvil por
pasajero y milla, debido a la reducción del rozamiento con la vía.
4. Mecanismo de frenada
El frenado del tren maglev se
consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente
trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido
contrario al avance del tren. Bajo condiciones normales, la desaceleración
límite sería la misma que la aceleración
límite: 1,8 m/s2 (este límite de aceleración se escoge de manera que no sea
molesto para los pasajeros). En condiciones de emergencia, el motor lineal
puede desacelerar al tren a 3,5 m/s2 aproximadamente. Es posible aumentar aún
la capacidad de frenada, en situaciones de extrema emergencia, mediante el uso
de un sistema de frenado aerodinámico, el cual amplía la superficie frontal del
tren, como se ve a continuación:
Este sistema se reserva solamente
para situaciones de extrema emergencia ya que la desaceleración producida es
muy elevada (alrededor de 12 m/s2 ), razón por la cual los pasajeros deberían
ser avisados unos segundos antes de ser utilizado, cosa que no siempre sería posible.
No obstante los frenos aerodinámicos también podrían ser utilizados en
ocasiones donde no haría falta una gran desaceleración, simplemente para ayudar
al motor de manera de no tener que forzarlo demasiado.
El último avance en tecnología
Maglev: La Inductrack
En una investigación publicada
hace varios años, el doctor Richard Post del Lawrenece Livermore National
Laboratory desarrolló un sistema maglev que evita las mayores fallas de los
sistemas EMS y EDS explicados más arriba. La Inductrack es esencialmente un
sistema EDS que, en vez de materiales superconductores, utiliza imanes
permanentes. Antes que el Dr. Post idease esto, se creía que los imanes permanentes
proveerían una fuerza de levitación demasiado pequeña como para ser útil en
cualquier diseño maglev. La solución encontrada por el equipo de Livermore fue
emplear una distribución especial de poderosos imanes permanentes, conocida
como una ordenación Halbach ("Halbach array"), para crear una fuerza
de levitación lo suficientemente poderosa para hacer funcionar un maglev. En
esta ordenación, barras magnéticas con grandes campos son dispuestas de manera
que el campo magnético de cada barra esté orientado en un ángulo correcto con
la barra adyacente. La combinación de las líneas de campo magnético de esta ordenación
resulta en un poderoso campo debajo de esta y prácticamente ningún campo
arriba.
Aplicación futura de la tecnología maglev: Lanzadera espacial
de levitación magnética
La NASA esta estudiando la
utilización de tecnología maglev para crear un sistema que asista en el
despegue de una nave espacial. Una pista operacional tendría unos 2400 metros
de longitud y sería capaz de acelerar al vehículo a unos 1000 Km/h en 9,5
segundos, el que luego debería cambiar a motores a bordo para completar la
salida al espacio. La parte más costosa de una misión a una órbita terrestre
baja son los primeros segundos, el despegue. La mayor parte de este gasto se debe
al peso del propergol, y como un vehículo maglev utiliza electricidad para
acelerarse, el peso de la nave espacial al momento del despegue podría ser de
hasta un 20% menos que en un cohete normal. Además este sistema es
reutilizable, ya que la pista que se usa para acelerar al vehículo se queda en
el suelo. Otros beneficios son que la electricidad no contamina y es mucho más
barata. Cada lanzamiento realizado utilizando tecnología maglev (con vehículos
a escala real) consumiría cerca de $75 (75 dólares) de electricidad en el
mercado actual. Un sistema maglev de este tipo sería no necesitaría (idealmente)
ningún tipo de mantenimiento, ya que no hay partes movibles y no existe
contacto entre el vehículo y la pista. Tanto es así que se espera que un
sistema maglev funcione durante 30 años.
Se espera que alrededor del 2007
un sistema maglev sea utilizado para mandar al espacio pequeños satélites de
comunicación por sólo unos miles de dólares por libra. Dentro de 20 años esta
tecnología sería utilizada para poner vehículos mucho más grandes en órbita por
sólo cientos de dólares por libra un gran contraste con el valor actual de $10
000 (diez mil dólares) por libra. Pruebas con naves a escala se realizan en la
actualidad en la NASA.
CONCLUSIÓN
Durante todo el trabajo que se realizo sobre la investigacion de los trenes como un desarrollo tecnológico, se conoció y se aprendió que la levitación magnética es muy
importante en la actualidad, siendo muy utilizada en la industria para mejorar
sistemas de transporte y demás, esta se basa de principios eléctricos
fundamentales como la corriente eléctrica, el magnetismo, electroimanes y
otros, mostrándonos que la los fundamentos de la física se aplican en la gran
mayoría de los objetos, maquinas e industrias que tenemos a nuestro alrededor.La relación entre magnetismo y corriente
eléctrica, nos
demuestran que son temas básicos para
la implementación de mejoras y nuevas
tecnologías, que serán mucho mas
eficientes, estables y atractivas para
nosotros. Los materiales y el trabajo para
este tipo de nuevas tecnologías también
demuestran que son muy amigables con
el planeta, ya que no desechan tóxicos y
se minimiza al máximo el uso de
materiales que puedan dañar nuestro
medio ambiente.
CIBERGRAFIA
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/electrodinamica/ap09_electromagnetismo
.php
http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Superconductividad/Superconductividad.php
http://www.550m.com/usuarios/diarioaccion/enlaces/detodo1.htm
http://www.550m.com/usuarios/diarioaccion/enlaces/detodo1.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Levitaci% C3%B3
http://es.wikipedia.org/wiki/Tren_de_levitaci%C3%B3n_magn%C3%A9tica
http://es.wikipedia.org/wiki/Supercond uctividad
http://es.wikipedia.org/wiki/Supercond uctividad
http://ww38.o-keating.com/hsr/maglev.htm
Tren de Levitación Magnética
HECHO POR:
Luisa Fernanda Ramirez Gil
Sara Manuela Santamaria
Diana Marcela Suarez Ayala
Yahenna Suarez Restrepo
