UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO
PLANTEL: “DR. PABLO GONZÁLEZ CASANOVA”
MATERIA: FÍSICA
ONDULATORIA Y ESTÁTICA
ALUMNA:
- · GARCÍA DÍAZ SUSANA GUADALUPE.
PROFESOR: VÍCOR ERIC VELASQUEZ
INVESTIGACIÓN
PRINCIPIOS FÍSICOS QUE FUNDAMENTAN EL MOTOR ELÉCTRICO
SEXTO
SEMESTRE
GRUPO: 630
JUNIO 03, 2018
INTRODUCCIÓN
Como seres
humanos, nos encontramos inmersos en una sociedad cambiante, moderna, cuna de
mentes brillantes y de un sinfín de fenómenos a los que el hombre ha dado
explicación desde el principio de la especie. Desde lo macro a lo micro, el
hombre se ha envuelto de su curiosidad y se ha impulsado de ella para generar
conocimientos que le permiten crear, innovar, imaginar y explicar el porqué de
las cosas. Y tal es el caso de la Física, ciencia que estudia las propiedades de la naturaleza, con el apoyo de
la matemática, para analizar las características de la energía,
el tiempo, la materia y los vínculos
que se establecen entre ellos.
Para
explicar los fenómenos, la Física aplica diversos conocimientos que permiten
establecer una relación entre los principios de la materia y el funcionamiento
de las cosas. Hoy más que antes podemos afirmar que la Física nos rodea. Todo
lo que estamos viviendo y percibiendo a través de nuestros sentidos involucra
Física, todo tiene un por qué y su funcionamiento es causalidad.
Desde
los pasos que damos hasta el avión en el que viajamos involucran e estudio de
la Física, es por esta razón que debemos comprenderla, acercarnos a ella y
hacer nuestros sus conocimientos, porque quien entiende la Física, entiende el
mundo.
El
presente trabajo pretende explicar el funcionamiento del motor eléctrico de un
auto desde un punto de vista técnico-científico, esto a partir del desglose de los principios físicos que lo sustentan como lo
son el torque, el diagrama de cuerpo libre, el momento de fuerza, la inercia,
su potencia, entre otros. Todo esto con el fin de adentrarnos a la Física de
los vehículos que utilizamos para transportarnos diariamente. Asimismo,
pretende familiarizarte con estos conceptos para que sepas, además, adecuarlos
y relacionarlos ante situaciones de la vida diaria.
Con
un fin divulgativo y referencial, el contenido presentado a continuación
contiene material gráfico y escrito que espera, mediante un lenguaje común,
explicar el funcionamiento de un motor automovilístico de forma clara y
concisa. Dejo esta información en tus manos esperando sea de tu agrado y te
permita entender mejor cada uno de los conceptos anteriores a base de ejemplos
y elementos visuales.
MOTOR ELÉCTRICO
El motor
eléctrico es, en pocas palabras, una máquina que convierte la energía eléctrica
en mecánica. Este proceso lo realiza por medio de la acción de
los campos magnéticos que generan las bobinas que están dentro del motor.
De acuerdo al blog Erenovable.com y su artículo El
motor eléctrico, los éstos suelen tener 5 componentes
principales: Estator, Rotor, Conmutador, exobillas y eje.
Siendo
una máquina de energía mecánica, el funcionamiento del motor eléctrico se
sustenta de principios físicos que lo hacen aún más fascinante de lo que a
simple vista parece. Así, podemos afirmar que todo su funcionamiento tiene una
explicación científica y razonada. Cada vez que se desarrolla un motor
eléctrico, se innova o se modifica, se hace una pre evaluación de cada una de
esas nuevas características a partir de un riguroso razonamiento físico.
Entre las bases esenciales en las que se sustenta el funcionamiento del
motor, encontramos el torque, las fuerzas, la inercia, la potencia, corriente
eléctrica, velocidad angular y campos magnéticos.
TORQUE
El torque es
un esfuerzo de torsión, que involucra la tendencia de
una fuerza (F) para hacer girar un objeto alrededor de un eje
(Valcarce A. 2014).
La distancia (D) que conecta al eje
con el lugar donde se aplica la fuerza es conocida como “brazo de
palanca”, a mayor distancia menos fuerza para obtener el mismo
Torque.
- · Las unidades de torque son Libras-pies (lb-ft).
En base al video Física del motor. El torque o Par Motor (El
conductor inteligente. 24 de agosto de 2014), “el torque es la capacidad que
tiene el motor para mover un vehículo, con o sin carga dentro de él. En un motor eléctrico, el torque se produce cuando la explosión de la
mezcla ejerce fuerza sobre el pistón y esta fuerza, multiplicado por el brazo
de distancia del codo del cigüeñal es la que produce el resultante valor de
torque.
En una posición cercana de 90 grados
entre la biela y el cigüeñal es donde se produce el valor máximo de torque. En
esta situación y a una determinada velocidad la mezcla se combustiona y se consigue
la máxima eficiencia, o sea, el valor máximo de torque con el mínimo consumo.
Es importante mencionar que el MOMENTO DE FUERZA es lo mismo que el
torque, pues es la tendencia de fuerza para hacer girar un objeto alrededor de
un eje. En el motor, es la cantidad de fuerza que hace girar el cigüeñal. Su
fórmula es la misma que el torque.
Hay
fórmulas que nos permiten involucrar los datos de placa del motor y
encontrar el torque de un motor eléctrico. Una vez determinado el torque podemos medir el brazo
de palanca y determinar la fuerza en un punto; por ejemplo la fuerza en
el punto más lejano de unas aspas.
Entonces podemos decir que
el torque es la fuerza que saca de su estado de reposo a un vehículo y lo pone
en movimiento, por lo que a mayor torque, mayor aceleración tendrá el dicho
vehículo. Varios ingenieros expertos en el tema afirman que el torque llega a
su punto máximo a los 60 km/h, una vez que pasa esta velocidad la potencia
comienza a ascender (Roshfrans, 2015). 
Ante esto, es indispensable
mencionar a la potencia, pero antes de esto, la velocidad angular.
Ante esto, es indispensable
mencionar a la potencia, pero antes de esto, la velocidad angular.
VELOCIDAD ANGULAR
Es una medida de la velocidad de rotación. Se define como el ángulo girado por
una unidad de tiempo y se designa mediante la letra griega ω. Su unidad en el
Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s) o revoluciones por
minuto. En el motor, la velocidad angular se produce cuando el pistón hace
girar al cigüeñal.
POTENCIA
Es el trabajo efectuado por unidad de tiempo:
Potencia
= Trabajo / Tiempo
La potencia (P) desarrollada por el par motor
(T) viene dada por la siguiente
expresión:
P = T · ω
Siendo (ω) la velocidad angular de giro
(rad/s) del eje de transmisión o
eje del cigüeñal.
La
potencia es un indicador del funcionamiento del motor, y nos dicen qué tanta
fuerza se produce y la rapidez con la que puede trabajar.
De acuerdo con el artículo Que es el torque y la potencia de un motor
en el blog “Talleres y respuestas”:
El motor del coche consigue rotar en el orden
de las 3.000 RPM a partir del Torque, de allí incrementa revoluciones por la
Potencia. El valor del Torque no es constante en los motores, se relaciona con
la velocidad de giro (RPM).
Generalmente se arranca con un torque bajo,
aumenta hasta alcanzar un valor máximo y luego decae. Por lo tanto la potencia
sigue una evolución semejante porque es el resultado de la multiplicación del
Torque por las RPM pero se extiende más. Hay una diferencia porque más potencia
se alcanza a mayor velocidad de giro (+ RPM).
Los caballos de potencia, es la unidad
de medida de la potencia empleada en el sistema anglosajón de unidades, y se
define como la potencia necesaria para levantar a la velocidad de 1 pie/minuto
un peso de 32572 libras.
Sus equivalencias con otros sistemas
son las siguientes:
• 1 HP = 745,69987 W
• 1 HP = 1,0139 CV
Por lo que la anterior expresión de la
potencia (P) en función del par y las revoluciones del motor
podría expresarse de la siguiente manera:
Php = (T * n)/7120,91
Dónde:
·
PHP, es la potencia
motor, expresada en HP;
·
T, es el par motor,
en N·m
·
n, son las
revoluciones por minuto de giro del motor (r.p.m.)
INERCIA
En Física, es la propiedad que posee los cuerpos de oponerse a un cambio de su estado de
reposo o movimiento en que se encuentran. Como tal, la inercia
es la resistencia ofrecida por un cuerpo a la alteración de su estado en reposo
o movimiento (S. A. 2014).
La
Inercia es un comportamiento común a todos los cuerpos materiales, y se puede
resumir como la resistencia inherente de todos los objetos a los cambios de
velocidad y/o en la dirección del movimiento.
Para entender la aplicación de la inercia en un motor
eléctrico, es importante mencionar qué es la inercia mecánica:
La inercia mecánica es la capacidad que posee los
cuerpos de mantener el estado de movimiento o reposo en el que se encuentran y
depende de la cantidad de masa y del tensor de inercia. A su vez, esta inercia
se divide en inercia
rotacional se relaciona con la distribución de la masa de
un cuerpo, mientras mayor sea la masa de un cuerpo, más difícil es la rotación
de su cuerpo, y la inercia
traslacional corresponde con el eje del giro.
La inercia se refleja en un motor en el volante de inercia. El volante de inercia es una rueda dentada y
pesada que está junto al cigüeñal. Su finalidad es oponerse a las aceleraciones
bruscas durante un movimiento rotativo para así suavizar el flujo de energía
entre una fuente de potencia y su carga y permitir
almacenar energía cinética.
En los vehículos, el volante de inercia
permite absorber energía mientras se frena para luego disponer de ella durante
la aceleración.
En términos amplios, y basados en el artículo Volante del blog “Mecánica fácil”, el
pistón ejerce fuerza de empuje al cigüeñal solamente durante el ciclo de
expansión, por lo que para que el cigüeñal continúe girando en los demás ciclos
cuando no hay empuje, es necesario la existencia del volante, que sencillamente
es una rueda pesada colocada a un extremo del cigüeñal que acumula inercia
regulando el movimiento del cigüeñal.
CONCLUSIÓN (OPINIÓN PERSONAL)
El motor eléctrico se está postulando como
firme alternativa a los motores de combustión en todos los sectores. Desde hace
muchísimos años se emplean pequeños motores eléctricos para abrir puertas de
garaje, para bombas de piscina y demás tareas sencillas. Pero, el reto al que
se enfrentan a día de hoy los investigadores es mucho mayor, y es que necesitan
que dichos motores eléctricos sean capaces de propulsar un coche a gran
velocidad y además hacerlo sin estar conectado a la red eléctrica, sino
mediante el uso de la electricidad almacenada en baterías.
Siendo el automóvil el vehículo más utilizado
por la mayoría de las personas –ya sea propio o de servicio público–, es de
gran importancia conocer un poco acerca del funcionamiento de su máquina
principal (el motor). Asimismo, es importante conocer los principios físicos
que fundamentan estos procesos porque nos permiten ampliar nuestros horizontes
cognitivos acerca de las máquinas que usamos de manera que podamos resolver las
problemáticas que se lleguen a presentar en nuestra vida diaria respecto al
funcionamiento de nuestros vehículos.
Por otro lado, podemos concluir con la
importancia que tiene la Física en nuestro entorno. Esta ha contribuido al
desarrollo científico y tecnológico de la humanidad, dotándonos de los
conocimientos necesarios para poder desarrollar inventos que pueden aplicarse
en diversas áreas de la vida y que a la vez han influido en la facilitación del
trabajo en las actividades humanas. El hecho de que la Física nos rodee y esté
involucrada en todos los aspectos de la vida, hace de este mundo un lugar
interesante.
Respecto al motor eléctrico, actualmente los
científicos siguen buscando más alternativas de su uso y estrategias para
hacerlo más eficiente, retomando –nuevamente– que todo esto es posible gracias
a la Física y a rigurosos cálculos e investigaciones sobre las propiedades de
sus partes, apoyándose de mediciones, cálculos vectoriales, fórmulas
matemáticas y la observación de otros fenómenos y funcionamientos mecánicos.
Esperando que la información presentada haya
sido de tu agrado y despertara tu interés, espero que sigas involucrándote en
la ciencia y te embarques en nuevas aventuras “exactas”.
FUENTES DE CONSULTA
Paco, (11 de
octubre de 2014). Torque de un motor
eléctrico [Mensaje de un blog] Coparoman. Consultado el 03 de junio de 2018
en: http://coparoman.blogspot.com/2014/10/torque-de-un-motor-electrico.html
S. A. (2015).
¿Qué es el torque y potencia en el motor? [Mensaje de un blog] Roshfrans.
Consultado el 03 de junio de 2018 en: http://www.roshfrans.com/torque-potencia-motor/
El conductor inteligente,
(24 de agosto de 2014). Física del motor.
El torque o Par Motor [Archivo de video]. Consultado el 03
de junio de 2018 en: https://www.youtube.com/watch?v=m_ZuFHqOvYo
S. A. (S. F.). La Potencia
y el Par Motor, Estudio de la Cadena Cinemática, Estabilidad en los Vehículos [Mensaje de un blog] Ingemecánica.
Consultado el 03 de junio de 2018 en:
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn63.html
S. A. (S. F.). Que es el torque y la potencia de un motor en el blog [Mensaje de un blog] Talleres y respuestas. Consultado el 03
de junio de 2018 en: https://talleresyrepuestos.com/documentacion-tecnica/mantenimiento-del-motor/220-que-es-el-torque-y-la-potencia-de-un-motor
S. A. (2014).
Significado de volante [Mensaje de un blog] Significados. Consultado el 03 de junio
de 2018 en: https://www.significados.com/volante/
S. A. (S. F.). Volante [Mensaje de un blog] Mecánica
Fácil. Consultado el 03 de junio de 2018 en: http://www.mecanicafacil.info/volante.html
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