Trenes de levitación magnética

Revista Colombiana de Física, vol.
, No.
de 20
TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA
Maglev train
Cristian Alejandro Suárez Rojas1,
1Universidad
Nacional de Colombia.
Resumen
En este artículo se discute sobre la aplicación de la levitación magnética en los trenes, siendo esto una forma
bastante novedosa de disminuir los tiempos de recorrido durante un viaje, también se menciona sobre el funcionamiento de este, más exactamente la parte física involucrada, sus ventajas como medio de transporte, las
características de los sistemas de suspensión y los costos que representa el uso de esta tecnología.
Palabras claves: levitación magnética, suspensión electromagnética, suspensión electrodinámica
Abstract
This article discusses the application of magnetic levitation on trains, this being a fairly new to reduce travel
times while traveling, also it mentions the operation of this, more precisely the physics involved, its advantages
as a transport system, the characteristics of suspension systems and the costs involved in the use of this technology.
Keywords: magnetic levitation, electromagnetic suspension, electrodynamic suspension
troncos con maderas transversales y atar todo el conjunto
con tiras de cuero.
1. Introducción
A lo largo de la historia se ha visto que motivos de origen
biológico, antropológico e histórico han llevado al hombre a
desarrollar formas de desplazarse, también es notorio que el
espíritu curioso del ser humano ha llevado a que desee explorar su entorno, y es allí en donde debe inventar, usando
su mente para lograr crear dispositivos que le permitan
explorar lugares lejanos.
Después de esto, se produjo el invento de la rueda, el cual es
uno de los más maravillosos e importantes de la historia y
fue a partir de este invento que se desarrolló la relativamente amplia gama de transportes terrestres.
Entre tales medios de transporte, se encuentra el tren, caracterizado por poseer vagones o coches conectados que circulan sobre un carril de riel para el transporte, no solo de pasajeros, sino de mercancías. El ferrocarril, como se conoce al
grupo de vehículos que se están guiados sobre un riel o
carril, como es el caso de los trenes convencionales, u
otras vías destinadas y diseñadas para la levitación magnética. Pueden tener una o varias locomotoras, pudiendo estar
acopladas en cabeza o en configuración push pull (una en
cabeza y otra en cola) y vagones, o ser automotores en cuyo
caso los vagones (todos o algunos) son autopropulsados.
Así es como, desde los primeros troncos usados en forma de
rodillos, pasando por la rueda, los barcos a vela, los aviones
y los cohetes espaciales, el hombre fue creando los medios
que le permitieron, por necesidad o curiosidad, transportarse
a través del espacio.
Los primeros vehículos usados por el ser humano eran trineos de madera, y deben haber sido utilizados por tribus de
todo el mundo; con el propósito de transportar cargas pesadas se usaban troncos a modo de rodillos; esto llevo que al
final construyeran rodillos de una sola pieza al unir los
Tren de levitación magnética
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RevColFis, Vol. , No. de 20
Se conoce con este nombre a aquel tren que está suspendido, guiado y propulsado por un gran número de imanes para
la sustentación y la propulsión usando levitación magnética.
electroimanes que son a su vez repelidos por otros que se
encuentran a lo largo de la vía.
El diamagnetismo se puede describir como el resultado de aplicar la ley de Lenz a escala atómica.
De acuerdo con la teoría electromagnética, cada
vez que varía el flujo magnético se genera una corriente
Al ser propulsado mediante la levitación magnética, ofrece
la ventaja de ser silencioso, rápido y suave comparado con
otros sistemas de transporte sustentados por ruedas.
inducida y según esta ley "el sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas ocurre
la tendencia a oponerse a la causa que las produce".
El efecto de levitación
Este sistema de transporte emplea la levitación magnética
para poder guiarse, sustentarse y moverse, pero entremos en
materia sobre la física de la levitación magnética.
Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magnético externo
se induce una corriente superpuesta que genera un efecto
magnético que se caracteriza por ser opuesto al campo aplicado.
La levitación magnética se conoce al fenómeno por el cual
algún material puede generar la levitación de este gracias a
la repulsión que hay entre los polos iguales de dos imanes o
bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”,
propiedad inherente a los superconductores. Estos compuestos, por debajo de una determinada temperatura crítica, no
oponen resistencia al paso de la corriente; o dicho de otro
modo, pueden alcanzar una resistencia nula. Bajo tales
condiciones de temperatura no solamente son capaces de
transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas,
sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas
de un campo magnético aplicado. Esto es conocido como
“Efecto Meissner”. Esta capacidad de los superconductores
permite rechazar un campo magnético que intente penetrar
en su interior; de manera que si se acerca un imán a un
superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo.
Otra forma de explicar el fenómeno de diamagnetismo es
por medio de la configuración electrónica de los átomos o
de las moléculas. De esta forma, el comportamiento diamagnético lo presentan sistemas moleculares que contengan
todos sus electrones apareados y los sistemas atómicos o
iónicos que contengan orbitales (que se pueden relacionar
de manera análoga a unos cajones en donde se ubican los
electrones, cabe resaltar que los orbitales no son exactamente cajones, pero es una forma sencilla de explicarlo) completamente llenos.
Aquí, los espines de los electrones del último nivel se encontrarán apareados. El diamagnetismo se presenta en todos
los sistemas aromáticos, como el benceno y sus derivados,
en donde surge un anillo de 4n + 2 electrones π conjugados.
La levitación en un tren Maglev (como también se conocen
a estos trenes), se logra 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 suspension o
suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero
la levitación del tren es generada por la atracción entre las
bobinas colocadas en el vehículo y la vía, mientras que en el
segundo se consigue este fenómeno por medio de las fuerzas de repulsión entre estas.
Suspensión electrodinámica (EDS)
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.
También el fenómeno de diamagnetismo permite que los
trenes Maglev puedan levitar. Este fenómeno se debe a la
propiedad de repulsión que presentan ciertos materiales,
este fenómenos ayuda a que el tren se pueda elevar unos
centímetros del suelo, el cual cuenta con unos potentes
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Autor principal et al.: Titulo
Fig. 1. Esquema de la EDS
Fig. 2. Esquema de la EMS
En la gráfica también se muestra a un superconductor que se
ubica a unos centímetros de un conjunto de bobinas localizadas sobre el carril guía. Al moverse el vehículo a lo largo
del carril se inducirá una corriente en las bobinas de este, las
cuales actuarán entonces como electroimanes. La interacción con los superconductores montados en el tren producirán la levitación. Debido a esto, la fuerza de levitación será
cero cuando el vehículo se encuentre parado; para esto el
tren tiene incorporadas unas ruedas neumáticas, estas ruedas
quedan flotando cuando el tren está en movimiento.
Si se comparan ambos sistemas de suspensión, se tiene que
la principal ventaja de las EMS es el uso de electroimanes
en vez de los complicados imanes superconductores que
exige la EDS.
Al no requerir imanes superconductores, no son necesarios
complicados y costosos sistemas de refrigeración, en donde
se usa nitrógeno líquido. Aunque el consumo actual del
EMS es inferior al del EDS, se espera que al avanzar las
investigaciones en superconductividad, los consumos de las
suspensiones EDS bajen considerablemente.
Suspensión electromagnética (EMS)
Ventajas y limitaciones (costos)
En este tipo de suspensión, la parte inferior del tren queda
por debajo de una guía formada por material ferromagnético, cuyo magnetismo no es permanente. Al poner en marcha
los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una
fuerza de atracción. Como el carril no puede cambiar de
posición, son los electroimanes son los responsables del
movimiento en dirección a éste elevando con ellos el tren
completo. Los sensores con los que cuenta el tren tienen la
función de regular la corriente circulante en las bobinas,
esto genera que el tren pueda circular a una distancia de
aproximadamente un centímetro del carril guía. Hay unos
electroimanes que se desempeñan su función de encargarse
de la guía lateral del vehículo y están colocados en los laterales del tren de manera que se garantice de que el tren esté
centrado en la vía.
Mediante el uso de la levitación magnética, el tren solo se
vería afectado en cuanto a su velocidad, debido a la fuerza
de rozamiento que generaría el aire sobre él, pero esto se vio
compensado en los diseños aerodinámicos que ayudan a
disminuir el efecto del rozamiento del aire en el tren. Por
consiguiente, los trenes Maglev; aunque presentan un consumo de energía elevado, esto permite mantener y controlar
la polaridad de los imanes generando un bajo nivel de ruido
(una gran ventaja sobre su competidor llamado aerotrén), lo
más importante es su velocidad, en donde se puede llegar a
alcanzar 650 km/h, aunque el máximo testeado en este tren
es de 584 km/h. Estas altas velocidades hacen que los Maglev se conviertan en competidores directos del transporte
aéreo y de otros medios de transporte.
A pesar de esto, los trenes de suspensión EMS sufren ciertas
limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la
distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la
fuerza de atracción crece y, aunque la corriente eléctrica
circulante en los electroimanes puede ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o de
que el tren toque la guía.
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RevColFis, Vol. , No. de 20
<http://cultura.terra.es/cac/articulo/html/cac2511.htm>
[citado en 16 de mayo de 2010].
Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros
a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple
terremoto podría destruir completamente todo un sistema de
líneas maglev. Por otro lado la amplitud del hueco entre
vehículo y guía no puede ampliarse porque el costo de esto
haría al sistema prohibitivo.
<http://es.wikipedia.org/wiki/Tren_de_levitaci%C3%B3n_
magn%C3%A9tica> [citado en 14 de mayo de 2010].
No obstante, el alto coste de las líneas ha limitado su uso
comercial. El altísimo costo de la infraestructura necesaria
para la vía y el sistema eléctrico, y otro no menos relevante
es el alto consumo energético son los responsables del alto
costo monetario que representaría para un país utilizar este
sistema.
También, la fuerza electromagnética es el sostén principal
del Maglev, la cual es el factor fundamental de diseño, y del
consumo también, el peso del tren hace que esta tecnología
no tenga utilidad en el hecho de poder transportar mercancías; sin embargo, el desarrollo práctico del sistema Maglev
se produciría al abaratarse los costos de producción eléctrica
mediante usinas basadas en la fusión nuclear.
Conclusiones
El tren Maglev emplea la levitación magnética para poder
moverse, tal efecto genera que solo se vea afectada su velocidad a causa del rozamiento del aire, sin embargo, su diseño aerodinámico compensa este problema. El uso de EMS
evita que se empleen costosos sistemas de refrigeración, que
sí son necesarios en la EDS; a pesar de esto, los costos de
construcción, la limitada investigación en los superconductores, el alto consumo de energía y la delicada calibración
que se debe realizar para distribuir el peso limitan enormemente el uso de este sistema que es la competencia directa
del transporte aéreo.
Bibliografía
<http://www.yosoycurioso.com/2010/02/02/tren-delevitacion-magnetica/ > [citado en 14 de mayo de 2010].
<http://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/MagLev.pdf > [citado
en 14 de mayo de 2010].
<http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/RinconC/Curiosid/rc-68.htm> [citado en 15 de mayo de 2010].
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