Los motores son máquinas que convierten una fuente de energía en trabajo físico. Si necesitas que algo se mueva, un motor es justo lo que tienes que ponerle. Pero no todos los motores están hechos de la misma manera, y los diferentes tipos de motores definitivamente no funcionan igual.
Probablemente la forma más intuitiva de diferenciarlos es el tipo de energía que cada motor utiliza para obtener energía.
- Motores térmicos
- Motores de combustión interna (motores IC)
- Motores de combustión externa (motores EC)
- Motores de reacción motores
- Motores físicos
Motores eléctricos
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, pueden ser motores de combustión (que queman cosas) o no combustión. Funcionan mediante la combustión directa de un propulsor o mediante la transformación de un fluido para generar trabajo. Como tales, la mayoría de los motores térmicos también se solapan con los sistemas de propulsión química. Pueden ser motores con respiración de aire (que toman oxidantes como el oxígeno de la atmósfera) o motores sin respiración de aire (que tienen oxidantes ligados químicamente al combustible).
Motores de combustión interna
Los motores de combustión interna (motores IC) son bastante omnipresentes hoy en día. Impulsan coches, cortadoras de césped, helicópteros, etc. El mayor motor de combustión interna puede generar 109.000 CV para propulsar un barco que mueve 20.000 contenedores. Los motores de combustión interna obtienen la energía del combustible que se quema en una zona especializada del sistema denominada cámara de combustión. El proceso de combustión genera productos de reacción (escape) con un volumen total mucho mayor que el de los reactantes combinados (combustible y oxidante). Esta expansión es el verdadero pan de cada día de los motores de combustión interna: es lo que realmente proporciona el movimiento. El calor es sólo un subproducto de la combustión y representa una parte desaprovechada del almacén de energía del combustible, ya que en realidad no proporciona ningún trabajo físico.
Imagen acreditada por la 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 de combustible y aire (el carburante) en la cámara de combustión.
- Compresión de la mezcla.
- Encendimiento por bujía o compresión – el combustible sale disparado.
- Emisión del escape.
Imagen acreditada Duk / Wikimedia.
Para cada paso, un pistón de 4 tiempos es empujado alternativamente hacia abajo o hacia atrás. 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 arranque eléctrico, el arranque manual o la inercia del cigüeñal) para moverse. Por eso tienes que tirar de la cuerda de tu cortacésped, y por eso tu coche necesita una batería que funcione para empezar a funcionar.
Otros criterios para diferenciar los motores de CI 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 la relación potencia-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 de la pared del motor. El gran padre de la Revolución Industrial, la máquina de vapor, entra en esta categoría.
En algunos aspectos, los motores de combustión externa funcionan de forma similar a sus homólogos de combustión interna: ambos necesitan calor, que se obtiene quemando cosas. Sin embargo, también existen varias diferencias.
Los motores EC utilizan fluidos que sufren una dilatación-contracción térmica o un 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 Rankine orgánico), o sufrir un cambio de fase (como en la máquina de vapor) – para los motores de CI, el fluido es casi universalmente una mezcla de combustible líquido y aire que se quema (cambia su composición química). Por último, las máquinas pueden agotar el fluido después de su uso, como hacen las máquinas de combustión interna (motores de ciclo abierto), o utilizar continuamente el mismo fluido (motores de ciclo cerrado).
Sorprendentemente, las primeras máquinas de vapor de uso industrial generaban trabajo creando un vacío en lugar de presión. Llamadas «máquinas atmosféricas», eran máquinas pesadas y muy poco eficientes en cuanto a combustible. Con el tiempo, las máquinas de vapor adoptaron la forma y las características que esperamos ver en los motores de hoy en día y se volvieron más eficientes: las máquinas de vapor recíprocas introdujeron el sistema de pistones (que todavía se utiliza en los motores de combustión interna) o los sistemas de motores compuestos que reutilizaban el fluido en los cilindros a presiones cada vez menores para generar una mayor «fuerza».
Hoy en día, las máquinas de vapor han dejado de utilizarse de forma generalizada: son cosas pesadas y voluminosas, tienen una eficiencia de combustible y una relación potencia-peso mucho menor que los motores de combustión interna y no pueden cambiar de potencia tan rápidamente. Pero si no te molesta su peso y tamaño, y necesitas un suministro constante de trabajo, son increíbles. Por ello, los motores EC se emplean 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 llamarse motores térmicos externos o sin combustión, ya que funcionan según los mismos principios que los motores EC pero no obtienen su potencia de la combustión.
Motores de reacción
Los motores de reacción, conocidos coloquialmente como motores a reacción, generan empuje mediante la expulsión de masa reaccionaria. El principio básico de un motor de reacción es la Tercera Ley de Newton: básicamente, si soplas algo con suficiente fuerza a través del extremo trasero del motor, éste empujará el extremo delantero hacia delante. Y los motores a reacción son realmente buenos haciendo eso.
Image credits thund3rbolt / Imgur.
Las cosas a las que normalmente nos referimos como un motor «a reacción», los que están atados a un avión de pasajeros Boeing, son estrictamente hablando motores a reacción de respiración aérea y caen bajo la clase de motores de turbina. Los motores Ramjet, que suelen considerarse más sencillos y fiables, ya que contienen menos piezas móviles (hasta ninguna), también son motores de reacción de respiración aérea, pero pertenecen a la clase de motores de ariete. La diferencia entre ambos es que los ramjets se basan en la velocidad para introducir el aire en el motor, mientras que los turbojets utilizan turbinas para aspirar y comprimir el aire en la cámara de combustión. Aparte de eso, funcionan prácticamente igual.
En los turborreactores, el aire se introduce en la cámara del motor y se comprime mediante una turbina giratoria. Los ramjets lo extraen y lo comprimen yendo muy rápido. Dentro del motor, se mezcla con combustible de alta potencia y se enciende. Cuando se concentra el aire (y, por tanto, el oxígeno), se mezcla con mucho combustible y se detona (generando así gases de escape y expandiendo térmicamente todo el gas), se obtiene 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 la parte trasera del motor, lo que hace con extrema fuerza. En su camino, impulsa la turbina, aspirando más aire y manteniendo la reacción. Y para colmo de males, en el extremo posterior del motor hay una tobera propulsora.
Esta pieza obliga a todo el gas a pasar por un espacio aún más pequeño que por el que entró inicialmente, lo que lo acelera aún más hasta convertirlo en «un chorro» de materia. Los gases de escape salen 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 mantener la combustión. Podemos utilizarlos en el espacio porque tienen todo el oxidante que necesitan, empaquetado en el combustible. Son uno de los pocos tipos de motores que utilizan sistemáticamente combustibles sólidos.
Los motores térmicos pueden ser ridículamente grandes, o adorablemente pequeños. ¿Pero qué pasa si todo lo que tienes es un enchufe, y necesitas alimentar tus cosas? Bueno, en ese caso, necesitas:
Motores eléctricos
Ah sí, la pandilla limpia. Hay tres tipos de motores eléctricos clásicos: el magnético, el piezoeléctrico y el electrostático.
El magnético, como la pila de allí, es el más utilizado de los tres. Se basa en la interacción entre un campo magnético y el flujo eléctrico para generar trabajo. Funciona según el mismo principio que utiliza una dinamo para generar electricidad, pero a la inversa. De hecho, se puede generar un poco de energía eléctrica si se acciona manualmente un motor electromagnético.
Para crear un motor magnético se necesitan unos imanes y un conductor enrollado. Cuando se aplica una corriente eléctrica al bobinado, se induce un campo magnético que interactúa con el imán para crear la rotación. Es importante mantener estos dos elementos separados, por lo que los motores eléctricos tienen dos componentes principales: el estator, que es la parte exterior del motor y permanece inmóvil, y un rotor que gira en su interior. Ambos están separados por un espacio de aire. Normalmente, los imanes están incrustados 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 mientras el rotor gira para mantener la rotación.
Los motores 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 utilizan cargas similares para repelerse y generar rotación en el rotor. Como el primero utiliza materiales caros y el segundo requiere voltajes comparativamente altos para funcionar, no son tan comunes como los motores magnéticos.
Los motores eléctricos clásicos tienen una de las mayores eficiencias energéticas de todos los motores existentes, convirtiendo hasta el 90% de la energía en trabajo.
Motores de iones
Los motores de iones son una especie de mezcla entre un motor a reacción y uno electrostático. Esta clase de propulsores acelera iones (plasma) utilizando 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.
Imagen cortesía de la NASA / JPL-Caltech.
También tienen una potencia muy limitada. Sin embargo, como sólo utilizan 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 los motores de iones. Aun así, la tecnología parece más adecuada para pequeñas naves y satélites, ya que la estela de electrones que dejan estos propulsores repercute negativamente en su rendimiento general.
Propulsores EM/Cannae
Los propulsores EM/Cannae utilizan la radiación electromagnética contenida en una cavidad de microondas para generar confianza. Es probablemente el más peculiar entre todos los tipos de motores. Incluso se le ha llamado el motor «imposible», ya que es un motor no reactivo, es decir, no produce ninguna descarga para generar empuje, aparentemente eludiendo la Tercera Ley.
«En lugar de combustible, utiliza microondas que rebotan en un conjunto de reflectores cuidadosamente ajustados para conseguir pequeñas cantidades de fuerza y, por tanto, lograr un empuje sin propulsión», informó Andrei sobre el accionamiento.
Hubo mucho debate sobre si este tipo de motor funciona realmente o no, pero las pruebas de la NASA han confirmado que es funcionalmente sólido. Incluso va a recibir una actualización en el futuro. Dado que sólo utiliza energía eléctrica para generar empuje, aunque en cantidades ínfimas, 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 de relojería, los neumáticos y los hidráulicos son todos accionamientos físicos.
Imagen cortesía del Musée 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 la energía elástica en resortes y hay que darles cuerda cada día. Los motores de tipo neumático e hidráulico 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 un espacio enorme (153 m cúbicos) y sólo bastaban para propulsar la nave durante 5 millas náuticas (9 km) a 4 nudos.
Aún así, los propulsores físicos fueron probablemente los primeros que se utilizaron. Las catapultas, los trebuchets o los arietes dependen de este tipo de motores. También lo son las grúas accionadas por el hombre o la bestia, todas ellas utilizadas mucho antes que cualquier otro tipo de motores.
Esta no es en absoluto una lista completa de todos los motores que el hombre ha fabricado. Por no hablar de que la biología también ha producido motores – y están entre los más eficientes que hemos visto. Pero si has leído todo esto, estoy bastante seguro de que los tuyos se están quedando sin combustible a estas alturas. Así que descansa, relájate, y la próxima vez que te encuentres con un motor, pon tus manos y tu nariz engrasada explorando a través de él – ya te hemos contado lo básico.