Los motores son máquinas que convierten una fuente de energía en trabajo físico. Si necesita algo para moverse, un motor es justo lo que necesita. Pero no todos los motores están hechos de la misma manera, y los diferentes tipos de motores definitivamente no funcionan de la misma manera.
Créditos de imagen Little Visuals / Pixabay.
Probablemente, la forma más intuitiva de diferenciarlos es el tipo de energía que utiliza cada motor para generar potencia.
- Motores térmicos
- Motores de combustión interna (motores IC)
- Motores de combustión externa (motores EC)
- Motores de reacción
- Motores eléctricos
- Motores físicos
- 2.1 Unidades de iones
- 2.2 Unidades EM / Cannae
Motores térmicos
En la definición más amplia posible, estos motores requieren una fuente de calor para convertirse en movimiento. Dependiendo de cómo generen dicho calor, estos pueden ser motores comburentes (que queman cosas) o no comburentes. Funcionan ya sea a través de la combustión directa de un propulsor oa través de la transformación de un fluido para generar trabajo. Como tal, la mayoría de los motores térmicos también ven cierta superposición con los sistemas de accionamiento químico. Pueden ser motores que respiran aire (que toman oxidantes como el oxígeno de la atmósfera) o motores que no respiran (que tienen oxidantes ligados químicamente al combustible).
Motores de combustión interna
Los motores de combustión interna (motores IC) son bastante omnipresentes en la actualidad. Propulsan automóviles, cortadoras de césped, helicópteros, etc. El motor IC más grande puede generar 109 000 HP para impulsar un barco que mueve 20 000 contenedores. Los motores IC obtienen energía del combustible quemado dentro de un área especializada del sistema llamada cámara de combustión. El proceso de combustión genera productos de reacción (escape) con un volumen total mucho mayor que el de los reactivos combinados (combustible y comburente). Esta expansión es el pan y la mantequilla real de los motores IC, esto es lo que realmente proporciona el movimiento. El calor es solo un subproducto de la combustión y representa una parte desperdiciada de la reserva de energía de los combustibles, porque en realidad no proporciona ningún trabajo físico.
Un motor IC de 4 cilindros en línea.
Créditos de la imagen NASA/Centro de Investigación Glenn.
Los motores de combustión interna se diferencian por el número de carreras o ciclos que realiza cada pistón para una rotación completa del cigüeñal. Los más comunes hoy en día son los motores de cuatro tiempos, que descomponen la reacción de combustión en cuatro pasos:
- Inducción o inyección de una mezcla aire-combustible (el carburado) en la cámara de combustión.
- Compresión de la mezcla.
- El encendido por bujía o combustible de compresión hace boom .
- Emisión del escape.
Este motor radial parece el hombrecito más funky que he visto en mi vida.
Créditos de imagen Duk / Wikimedia.
Para cada paso, un pistón de 4 tiempos se empuja alternativamente hacia abajo o hacia arriba. El encendido es el único paso en el que se genera trabajo en el motor, por lo que para todos los demás pasos, cada pistón depende de la energía de fuentes externas (los otros pistones, un arrancador eléctrico, el arranque manual o la inercia del cigüeñal) para moverse. Es por eso que tiene que tirar de la cuerda de su cortadora de césped y por qué su automóvil necesita una batería que funcione para comenzar a funcionar.
Otros criterios para diferenciar los motores de combustión interna son el tipo de combustible utilizado, el número de cilindros, la cilindrada total (volumen interno de los cilindros), la distribución de los cilindros (motores en línea, radiales, en V, etc.), así como la potencia y potencia. salida a peso.
Motores de combustión externa
Los motores de combustión externa (motores EC) mantienen el combustible y los productos de escape por separado, queman el combustible en una cámara y calientan el fluido de trabajo dentro del motor a través de un intercambiador de calor o la pared del motor. Ese gran papá-o de la Revolución Industrial, la máquina de vapor, entra en esta categoría.
En algunos aspectos, los motores EC funcionan de manera similar a sus contrapartes IC; ambos requieren calor que se obtiene quemando cosas. Hay, sin embargo, varias diferencias también.
Los motores EC utilizan fluidos que sufren dilatación-contracción térmica o cambio de fase, pero cuya composición química permanece inalterada. El fluido utilizado puede ser gaseoso (como en el motor Stirling), líquido (el motor de ciclo orgánico de Rankine) o sufrir un cambio de fase (como en el motor de vapor) para motores IC, el fluido es casi universalmente un combustible líquido y mezcla de aire que se quema (cambia su composición química). Finalmente, los motores pueden agotar el fluido después de su uso como lo hacen los motores IC (motores de ciclo abierto) o usar continuamente el mismo fluido (motores de ciclo cerrado).
Un motor de vapor Stephensons trabajando
Sorprendentemente, las primeras máquinas de vapor que vieron un uso industrial generaron trabajo creando un vacío en lugar de presión. Llamados motores atmosféricos, estos eran máquinas pesadas y altamente ineficientes en combustible. Con el tiempo, las máquinas de vapor adquirieron la forma y las características que esperamos ver en los motores actuales y se volvieron más eficientes con las máquinas de vapor recíprocas que introdujeron el sistema de pistón (todavía en uso por los motores IC en la actualidad) o sistemas de motores compuestos que reutilizaron el fluido en cilindros a presiones decrecientes para generar empuje adicional.
Hoy en día, las máquinas de vapor han perdido su uso generalizado: son cosas pesadas y voluminosas, tienen una eficiencia de combustible y una relación potencia-peso mucho más bajas que las máquinas de combustión interna, y no pueden cambiar la producción tan rápidamente. Pero si no le molesta su peso, tamaño y necesita un suministro constante de trabajo, son increíbles. Como tal, EC se emplea actualmente con gran éxito como motores de turbina de vapor para operaciones navales y centrales eléctricas.
Las aplicaciones de energía nuclear tienen la distinción de ser llamados motores térmicos externos o no combustibles, ya que funcionan con los mismos principios que los motores EC pero no obtienen su energía de la combustión.
Motores de reacción
Los motores de reacción, coloquialmente conocidos como motores a reacción, generan empuje expulsando masa reaccionaria. El principio básico detrás de un motor reaccionario es básicamente la Tercera Ley de Newton, si sopla algo con suficiente fuerza a través de la parte trasera del motor, empujará la parte delantera hacia adelante. Y los motores a reacción son realmente buenos para hacer eso.
Mad bueno en eso.
Créditos de imagen thund3rbolt / Imgur.
Las cosas a las que generalmente nos referimos como un motor a reacción, las que están atadas a un avión de pasajeros Boeing, son estrictamente hablando motores a reacción que respiran aire y caen dentro de la clase de motores impulsados por turbina. Los motores estatorreactores, que generalmente se consideran más simples y más confiables, ya que contienen menos (o ninguna) piezas móviles, también son motores a reacción que respiran aire, pero pertenecen a la clase de propulsión por ariete. La diferencia entre los dos es que los estatorreactores se basan en la velocidad pura para alimentar aire al motor, mientras que los turborreactores usan turbinas para aspirar y comprimir aire en la cámara de combustión. Más allá de eso, funcionan en gran medida de la misma manera.
En los turborreactores, el aire se introduce en la cámara del motor y se comprime mediante una turbina giratoria. Los estatorreactores lo dibujan y lo comprimen yendo muy rápido. Dentro del motor, se mezcla con combustible de alta potencia y se enciende. Cuando concentras aire (y por lo tanto oxígeno), lo mezclas con una gran cantidad de combustible y lo detonas (generando así gases de escape y expandiendo térmicamente todo el gas), obtienes un producto reaccionario que tiene un volumen enorme en comparación con el aire aspirado. El único lugar por el que puede pasar toda esta masa de gases es hacia la parte trasera del motor, lo que hace con una fuerza extrema. En el camino, impulsa la turbina, aspirando más aire y manteniendo la reacción. Y para colmo de males, en la parte trasera del motor hay una tobera propulsora.
Hola, soy la tobera propulsora. Yo seré tu guia.
Esta pieza de hardware obliga a todo el gas a pasar a través de un espacio aún más pequeño del que entró inicialmente, acelerándolo aún más hasta convertirlo en un chorro de materia. El escape sale del motor a velocidades increíbles, hasta tres veces la velocidad del sonido, empujando el avión hacia adelante.
Los motores a reacción que no respiran aire, o motores cohete, funcionan igual que los motores a reacción sin la parte delantera porque no necesitan material externo para sostener la combustión. Podemos usarlos en el espacio porque tienen todo el oxidante que necesitan, empacado en el combustible. Son uno de los pocos tipos de motores que usan combustibles sólidos constantemente.
Los motores térmicos pueden ser ridículamente grandes o adorablemente pequeños. Pero, ¿qué sucede si todo lo que tiene es un enchufe y necesita alimentar sus cosas? Bueno, en ese caso, necesitas:
Motores eléctricos
Ah, sí, la pandilla limpia. Hay tres tipos de motores eléctricos clásicos: magnéticos, piezoeléctricos y electrostáticos.
Y por supuesto, la unidad Duracell.
El magnético, como la batería allí, es el más utilizado de los tres. Se basa en la interacción entre un campo magnético y un flujo eléctrico para generar trabajo. Funciona con el mismo principio que usa una dínamo para generar electricidad, pero al revés. De hecho, puedes generar un poco de energía eléctrica si haces girar manualmente un motor electromagnético.
Para crear un motor magnético necesitas algunos imanes y un conductor bobinado. Cuando se aplica una corriente eléctrica al devanado, induce un campo magnético que interactúa con el imán para crear rotación. Es importante mantener separados estos dos elementos, por lo que los motores eléctricos tienen dos componentes principales: el estator, que es la parte exterior del motor y permanece inmóvil, un rotor que gira en su interior. Los dos están separados por un espacio de aire. Por lo general, los imanes se incrustan en el estator y el conductor se enrolla alrededor del rotor, pero los dos son intercambiables. Los motores magnéticos también están equipados con un conmutador para cambiar el flujo eléctrico y modular el campo magnético inducido a medida que el rotor gira para mantener la rotación.
Los accionamientos piezoeléctricos son tipos de motores que aprovechan la propiedad de algunos materiales de generar vibraciones ultrasónicas cuando se someten a un flujo de electricidad para crear trabajo. Los motores electrostáticos usan cargas similares para repelerse entre sí y generar rotación en el rotor. Dado que el primero utiliza materiales costosos y el segundo requiere voltajes comparativamente altos para funcionar, no son tan comunes como las unidades magnéticas.
Los motores eléctricos clásicos tienen una de las eficiencias energéticas más altas de todos los motores que existen, convirtiendo hasta el 90% de la energía en trabajo.
Unidades de iones
Los impulsores de iones son una especie de mezcla entre un motor a reacción y uno electrostático. Esta clase de impulsores acelera iones (plasma) usando una carga eléctrica para generar propulsión. No funcionan si ya hay iones alrededor de la nave, por lo que son inútiles fuera del vacío del espacio.
El propulsor de salón.
Créditos de imagen NASA/JPL-Caltech.
También tienen una potencia de salida muy limitada. Sin embargo, dado que solo usan electricidad y partículas individuales de gas como combustible, se han estudiado ampliamente para su uso en naves espaciales. Deep Space 1 y Dawn han utilizado con éxito unidades iónicas. Aún así, la tecnología parece más adecuada para pequeñas naves y satélites, ya que el rastro de electrones que dejan estos impulsores afecta negativamente su rendimiento general.
Unidades EM/Cannae
Las unidades EM/Cannae utilizan radiación electromagnética contenida en una cavidad de microondas para generar confianza. Es probablemente el más peculiar entre todos los tipos de motores. Incluso se lo conoce como el impulso imposible, ya que es un impulso no reaccionario, lo que significa que no produce ninguna descarga para generar empuje, aparentemente sin pasar por la Tercera Ley.
En lugar de combustible, utiliza microondas que rebotan en un conjunto de reflectores cuidadosamente ajustados para lograr pequeñas cantidades de fuerza y, por lo tanto, lograr un empuje sin propulsor, informó Andrei en el viaje.
Hubo mucho debate sobre si este tipo de motor realmente funciona o no, pero las pruebas de la NASA han confirmado su funcionalidad. Incluso recibirá una actualización en el futuro. Dado que solo utiliza energía eléctrica para generar empuje, aunque en pequeñas cantidades, parece ser el motor más adecuado para la exploración espacial.
Pero eso es en el futuro. Echemos un vistazo a cómo empezó todo. Echemos un vistazo a:
Motores físicos
Estos motores dependen de la energía mecánica almacenada para funcionar. Los motores mecánicos, neumáticos e hidráulicos son todos impulsores físicos.
Un modelo de Le Plongeour, que muestra los enormes tanques de aire.
Créditos de la imagen Muse national de la Marine.
No son terriblemente eficientes. Por lo general, tampoco pueden recurrir a grandes reservas de energía. Los motores de relojería, por ejemplo, almacenan energía elástica en resortes, y es necesario darles cuerda todos los días. Los tipos de motores neumáticos e hidráulicos tienen que transportar pesados tubos de fluidos comprimidos, que generalmente no duran mucho. Por ejemplo, el Plongeur , el primer submarino de propulsión mecánica del mundo construido en Francia entre 1860 y 1863, llevaba un motor de aire alternativo alimentado por 23 tanques a 12,5 bares. Ocupaban una gran cantidad de espacio (153 m3/5403 pies cúbicos) y solo eran suficientes para propulsar la nave durante 5 millas náuticas (9 km/5,6 mi) a 4 nudos.
Aún así, las unidades físicas fueron probablemente las primeras que se utilizaron. Catapultas, trabuquetes o arietes se basan en este tipo de motores. También lo son las grúas impulsadas por hombres o animales, todas las cuales han estado en uso mucho antes que cualquier otro tipo de motor.
Esta no es de ninguna manera una lista completa de todos los motores que ha fabricado el hombre. Sin mencionar que la biología también ha producido impulsores y se encuentran entre los más eficientes que jamás hayamos visto. Pero si lees todo esto, estoy bastante seguro de que el tuyo se está quedando sin combustible a estas alturas. Así que descansa, relájate, y la próxima vez que te encuentres con un motor, engrasa tus manos y tu nariz para explorar a través de él. Te contamos los conceptos básicos.
"