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La era de los motores y máquinas

“Máquinas para mover cosas y personas”

Imagen de la película “Tiempos Modernos” de Charles Chaplin. 1936.

La Revolución industrial fue posible gracias a máquinas que multiplicaban la fuerza de los músculos humanos. Primero la energía hidráulica y después el vapor hicieron funcionar los molinos y fábricas que transformaron la vida en Gran Bretaña a finales del siglo XVIII. Matthew Boulton (1728-1809), el industrial cuya asociación con el ingeniero James Watt (1736-1819) engendró las primeras máquinas de vapor, le dijo al rey Jorge III: «Señor, yo vendo lo que todo el mundo desea: poder.»

La máquina de vapor, como todos los motores posteriores, convierte el calor en trabajo, siguiendo las reglas codificadas en las leyes de la termodinámica. Pero los inventores de la máquina de vapor no sabían de termodinámica, y procedieron por ensayo y error. Las primeras máquinas de vapor -más correcto sería llamarlos «motores atmosféricos», ya que era la presión atmosférica la que empujaba el pistón- se utilizaron para bombear agua en las minas. Watt fue el primero en utilizar máquinas para producir un movimiento giratorio; su «motor rotativo» de 1783 hizo posible el desarrollo del sistema de fábricas en Inglaterra.

Imagen en 3D de la maquina de vapor de James Watt

Imagen en 3D de la máquina de vapor de James Watt

Los efectos fueron asombrosos. En el plazo de 30 años había ya más ingleses trabajando en el comercio, las fábricas y la artesanía que en los campos. Las ciudades crecieron de manera explosiva: Manchester tenía 25.000 habitantes en 1772, 181.000 en 1821 y 455.000 en 1851. Los ferrocarriles aparecieron poco después de 1820, y en 1838 se cruzó por primera vez el Atlántico en un barco de vapor. Medio siglo después de que Watt patentara su invento, el científico francés Sadi Carnot (1796-1832), descubridor de las leyes de la termodinámica, pudo escribir: «Privar a Inglaterra de sus máquinas de vapor equivaldría a privarla de hierro y carbón... a arruinar su prosperidad, a aniquilar su poder,».

Pero el vapor no lo conquistó todo. Los vehículos de carretera a vapor tuvieron un éxito limitado. Se necesitaba un motor más ligero, y la solución fue el motor de combustión interna, en el que el combustible se quema dentro de los cilindros, y no bajo una caldera. En 1859 el ingeniero francés Étienne Lenoir (1822-1900) inventó un motor de gas estacionario, que fue perfeccionado en Alemania por Nikolaus Otto (1832-1891), que introdujo el ciclo de cuatro tiempos, en el que se comprime el combustible antes de la ignición. En 1900 se habían vendido más de 200.000 motores Otto.

Anuncio de un Motor Otto. 1900.

Anuncio de un Motor Otto en la revista española “Industria e Invenciones”, año 1900.

Energía hidráulica

Antes de la era del vapor, las ruedas hidráulicas constituían la mejor fuente de energía. En el último cuarto del siglo XVIII, el ingeniero británico John Smeaton (1724-1794) demostró que las «ruedas de corriente alta», en las que el agua pasa por encima, llenando una serie de cajones o cubos que hacen girar la rueda por gravedad, eran casi tres veces más eficientes que las «ruedas de corriente baja», que tienen paletas que se hunden en una corriente de agua. Pero el futuro de la energía hidráulica estaba en las turbinas, que se desarrollaron principalmente en Francia. El nombre se deriva del latín turbo (remolino), porque las turbinas giran como remolinos cuando el agua mueve sus paletas.

En 1838 el ingeniero Benoit Fourneyron (1802-1867) construyó una turbina de sólo 30 cm de anchura, que giraba a 2.300 revoluciones por minuto y era capaz de generar 60 caballos de fuerza en una cascada de 115 metros. Hoy se utilizan turbinas para generar electricidad en las centrales hidroeléctricas.

Molino hidráulico de corriente baja

Un tradicional molino hidráulico “de corriente baja”, movido por la fuerza de un arroyo. Las ruedas de este tipo se utilizaban en toda Europa, generalmente para mover la maquinaria de molinos, desde el siglo I a.C.

Máquinas de vapor

La primera máquina de vapor funcional la inventó en 1712 un herrero inglés, Thomas Newcomen (1663-1729). El vapor penetraba por un cilindro, por debajo de un émbolo, y se condensaba con un chorro de agua fría. Este proceso generaba un vacío parcial, y la presión atmosférica que actuaba por encima del émbolo lo hacía bajar. La máquina era lenta -12 golpes por minuto- y no generaba movimiento rotario, pero servía para hacer funcionar bombas que extraían agua de las minas.

James Watt se dio cuenta que los constantes calentamientos y enfriamientos del cilindro restaban eficiencia a la máquina, e introdujo un condensador aparte, por donde el vapor pudiera escapar y condensarse. También introdujo vapor por encima del émbolo, en lugar de aire frío. La eficacia de la máquina se triplicó. A continuación, Watt construyó una máquina de doble acción, en la que tanto la subida del émbolo como la bajada producían energía, y diseñó un mecanismo de «sol y planeta» para obtener movimiento rotatorio. Sus motores eran potentes, y su baja eficiencia no importaba porque el carbón era barato.

Experimentos de James Watt

Los primeros experimentos de James Watt con el vapor tuvieron lugar en la cocina de su madre. Años después, sus motores de vapor hacían funcionar muchas de las fábricas surgidas durante la Revolución industrial británica.

Termodinámica

La ciencia de los motores de calor nació en 1824, cuando Sadi Carnot, en sus “Reflexiones sobre el poder motor del fuego”, demostró que toda máquina calórica tiene una eficiencia máxima teórica, y que la eficiencia de una máquina de vapor depende de la diferencia de temperatura entre el vapor más caliente y el agua refrigerante. Más adelante, James Joule (1818-1889) demostró con una serie de experimentos que la energía no se puede crear ni destruir, sino sólo transformarse de una forma en otra. Ésta fue la primera ley de la termodinámica, codificada en 1847 por Hermann von Helmholtz (1821-1894). Significa, entre otras cosas, que no se puede construir un motor de movimiento perpetuo.

Para desgracia de los ingenieros, aunque el trabajo se puede transformar por completo en calor, lo contrario no es posible. Cuando se utiliza calor para realizar un trabajo, siempre se pierde algo. La parte perdida corresponde a la «entropía» del sistema (término introducido en 1850 por Rudolf Clausius, 1822-1888). En la práctica, esto significa que ningún motor calórico puede transformar su combustible en trabajo con un 100% de eficiencia. Ésta es la segunda ley de la termodinámica, que afecta a todos los procesos de transformación de energía. Las dos leyes se pueden resumir de manera muy sencilla: la primera ley dice que no puedes ganar, la segunda que ni siquiera puedes quedar empatado.

Ilustración de la segunda ley termodinámica

Ilustración de la segunda ley mediante una máquina térmica. Este principio marca la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, una mancha de tinta dispersada en el agua no puede volver a concentrarse en un pequeño volumen).

Inducción electromagnética

Dos misterios -la electricidad y el magnetismo- quedaron unidos y explicados por la obra de Michael Faraday (1791-1867). Gracias a los trabajos del físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851), Faraday sabía que una corriente eléctrica puede desviar la aguja de una brújula. En 1821 llegó a la conclusión de que esto se debía a que la corriente produce líneas circulares de energía magnética alrededor del cable, y lo demostró con un artefacto que hacía que un imán girara en torno a un cable: el primer motor eléctrico.

Investigó si un imán móvil era capaz de generar una corriente. En agosto de 1831 enroscó dos cables alrededor de un anillo de hierro, y conectó uno a una pila y el otro a un galvanómetro, para detectar cualquier corriente. Descubrió que en el segundo circuito fluía corriente, pero sólo cuando se conectaba o desconectaba la corriente del primero. Ésta fue la base del transformador y el principio de la inducción electromagnética. Al mismo tiempo, Joseph Henry (1797-1878) hacía el mismo descubrimiento en Estados Unidos.

En octubre de 1831, Faraday insertó un disco de cobre entre los polos de un imán y lo hizo girar. Cuando se conectaban cables al centro y a la periferia del disco, la corriente fluía. Éste fue el primer generador. El descubrimiento significaba que se podía utilizar cualquier motor primario para generar electricidad, que hasta entonces sólo se podía obtener mediante pilas.

Michael Faraday

Michael Faraday trabajando en su laboratorio. Sus revolucionarios experimentos con la electricidad -inventó un rudimentario motor eléctrico y construyó el primer generador- abrieron el camino a la iluminación eléctrica.

El motor de combustión interna

En 1680 el físico holandés Christiaan Huygens inventó una máquina en la que se prendía una carga de pólvora en el interior de un cilindro, para impulsar un pistón. No servía para nada, pero el principio era sólido. En 1859 el ingeniero francés Étienne Lenoir (1822-1900) lo hizo funcionar, utilizando una chispa producida por una bobina de inducción para encender una mezcla de gas de carbón y aire dentro del cilindro de un motor.

En realidad, la máquina de Lenoir era una máquina de vapor modificada, y además lenta, pesada e ineficiente. Lo que la transformó fue el ciclo de cuatro tiempos, ideado por Alphonse Beau de Rochas (1815-1893) y puesto en práctica en 1876 por el ingeniero alemán Nikolaus Otto (1832-1891). El primer movimiento del pistón, descendente, hacía entrar combustible en el cilindro; el segundo movimiento, ascendente, comprimía el combustible; entonces se producía la ignición, que empujaba el pistón hacia abajo (tercer movimiento); y, por último, el cuarto movimiento expulsaba los gases residuales. Se utilizaba un pesado volante para amortiguar las sacudidas que esto provocaba, y el resultado era un motor práctico.

Un último cambio permitió que el motor de combustión interna fuera móvil. Los responsables fueron los ingenieros alemanes Wilhelm Maybach (1846-1929) y Gottlieb Daimler (1834-1900), que sustituyeron el gas empleado por Otto por una mezcla de gasolina y aire. La gasolina era un subproducto de la industria del petróleo que era peligroso por su inflamabilidad. Después de que Maybach inventara en 1893 el carburador -que mezcla el combustible y el aire en el motor- demostró ser el combustible ideal.

Primeros automóviles Daimler

Uno de los primeros automóviles Daimler en 1886. El práctico motor de gasolina inventado por Maybach y Gottlieb Daimler hizo posible el desarrollo de un nuevo medio de transporte que iba a transformar el mundo en el siglo XX.

Turbinas de vapor y de gas

La turbina de vapor inventada por el ingeniero Charles Parsons (1845-1931) tuvo una presentación sensacional. En 1896 Parsons instaló cuatro de sus turbinas en una pequeña embarcación, el “Turbinia”, y al año siguiente, en la Revista Naval, su barco -capaz de desarrollar unos 65 kilómetros por hora- dejó atrás a los mejores navíos de la Marina Real británica.

Parsons había construido su primera turbina en 1884, utilizando vapor para hacer girar un eje que tenía una serie de paletas en forma de abanico. Comprobó que con un solo juego de paletas no se obtenía suficiente energía, e ideó una serie de paletas cada vez más grandes a lo largo del eje.

En la turbina de vapor, el combustible se quema fuera de la máquina, para generar el vapor; en la turbina de gas, el combustible se quema dentro de la turbina, y la expansión de los gases mueve las paletas. La primera turbina de gas práctica la construyó en 1936 la empresa suiza Brown Boveri.

Por esa misma época, Frank Whittle (1907-1996) en Inglaterra y Hans Pabst von Ohain (1911-1998) en Alemania inventaron turbinas de gas con un escape lo bastante fuerte para impulsar un avión. Von Ohain hizo volar la suya primero, en agosto de 1939; el primer motor de propulsión a chorro de Whittle voló en mayo de 1941.

Primer barco “Turbinia”. 1897.

Primer barco “Turbinia” propulsado por una turbina de vapor de Charles Parsons. 1897.

Aerodinámica y vuelo

Los principios de la aerodinámica quedaron establecidos por el erudito inglés George Cayley (1771-1857), que en 1849 construyó un planeador, en el que uno de sus sirvientes realizó un vuelo tripulado. Pero Cayley se sentía frustrado por la inexistencia de un motor lo bastante ligero para volar. Esto se consiguió hacia 1900, cuando los adelantos del motor de gasolina permitieron obtener una relación peso/potencia de unos 4 kilos por caballo de fuerza. Los hermanos estadounidenses Orville (1871-1948) y Wilbur Wright (1867-1912) -que tenían una tienda de bicicletas en Ohio­ construyeron su propio motor y lo instalaron en un biplano, también de diseño propio, al que llamaron Flyer I. El 17 de diciembre de 1903, Orville realizó el primer vuelo con motor, mientras Wilbur observaba. Este histórico logro pasó casi inadvertido por el mundo.

Primeros aeroplanos de Wilbur y Orville Wright

Los primeros aeroplanos de Wilbur y Orville Wright utilizaban motores de gasolina de fabricación casera.

Cohetes y viaje espacial

La idea del viaje espacial por medio de cohetes se debe al maestro de escuela ruso Konstantin Tsiolkovski (1857-1935), que comprendió que para salir de la atmósfera se necesitaría un cohete con varias fases, capaz de desprenderse de la mayor parte de su masa, dejando sólo la pequeña fase final, que entraría en órbita. Robert Goddard (1882-1945), profesor de física estadounidense, demostró -con una serie de vuelos iniciados en 1926- que el impulso necesario podía conseguirse con combustibles líquidos. En los años treinta, los científicos alemanes construyeron el A4, el primer misil balístico. A partir de 1945 se construyeron cohetes cada vez más grandes. En 1957, la URSS lanzó el Sputnik, el primer objeto de factura humana que se ponía en órbita. En 1961 el astronauta soviético Yuri Gagarin (1934-1968) rodeó la Tierra en el Vostok I.

Robert Goddard. 1926.

Robert Goddard se dispone a probar su cohete de gasolina y oxígeno líquido, el 16 de marzo de 1926. Voló 56 metros.

Cronología

1779: Thomas Newcomen construye su máquina de vapor en Dudley Castle, Worcestershire.

1779: James Watt construye su máquina de vapor rotatoria para la fábrica de botones de James Pickard, en Birmingham, que fue la primera fábrica con motores de vapor.

1884: Charles Parsons inventa en Gateshead la primera turbina de vapor.

1885: Gottlieb Daimler y Karl Benz inventan, de manera independiente, sendos automóviles con motores de combustión interna que utilizaban gasolina como combustible.

1892: En Alemania, el ingeniero Rudolf Diesel patenta el motor de ignición por compresión, una variedad de motor de combustión interna en el que se comprime gas hasta que alcanza la temperatura suficiente para prender el combustible sin necesidad de bujías.

1926: Robert Goddard lanza en Auburn (Massachusetts) un cohete con combustible líquido.

1937: Frank Whittle, de British Power Jets Ltd., prueba su motor de propulsión a chorro.

Referencia:
STEWART, R. (2010). Ideas que transformaron el mundo. Círculo de Lectores.