TREN DE LEVITACION MAGNETICA

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

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 BALA EN EL PASADO

 

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.

                

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://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