4.1 Características de tracción y rendimientos: La relación fuerza – potencia – velocidad. P (watt) = F (Newton).v (m/s)En ferrocarriles las unidades prácticas usadas son: la potencia en HP, la fuerza en kilogramos y la velocidad en km/hora.1 HP = 750 w1 Kgr = 9,8 N ~ 10 N1 Km/h = (1/ 3,6) m/s

4.2 Rendimiento termodinámico de los diversos sistemas.

Un sistema termodinámico es cualquier región del espacio sobre la que centramos nuestro interés. Para delimitar esta región la limitamos con una pared (que puede ser real o imaginaria) que la recubre totalmente. La parte del espacio que no forma parte del sistema se denomina entorno o medio. El sistema y el entorno forman el universo.

En termodinámica vamos a estudiar, pues, la evolución de un sistema cuando este interacciona con el entorno que lo rodea, para ello vamos a emplear variables termodinámicas, que no son más que variables que nos dan la información sobre el estado del sistema, el estado dinámico en el que se encuentran las partículas del sistema.

1.2 Variables y equilibrio termodinámicos

Macroscópicamente el estado del sistema se define estudiando un conjunto de propiedades que afectan globalmente al sistema (como el volumen o la carga eléctrica) que denominaremos variables o coordenadas termodinámicas. Hay que hacer notar que las variables termodinámicas son mensurables y que no se necesitan conocer todas las posibles variables que definen un sistema, va a existir un número mínimo de variables que definirán el estado del sistema de forma unívoca, son las variables o coordenadas de estado.

Estas variables se suelen clasificar de dos modos diferentes: por un lado están las variables extrínsecas (que dependen de la naturaleza del sistema y el valor que toman ciertas magnitudes del entorno) e intrínsecas (que sólo dependen de la naturaleza y el estado del sistema); por otro lado tenemos las variables extensivas (las que dependen de la cantidad de materia del sistema) y las intensivas (no dependen de la cantidad de materia del sistema). Es esta última clasificación la más importante y que se empleará a lo largo de los apuntes.

Definimos como magnitud específica a las variables extensivas partidas de una cantidad que nos dé cuenta de la materia del sistema (bien la masa, bien los moles). Es una variable intensiva.

1.3 Procesos e interacción termodinámicos

Decimos que un sistema termodinámico sufre un proceso termodinámico cuando pasa de un estado inicial de equilibrio1 a otro estado final (también de equilibrio). Los diferentes estados por los que pasa el sistema durante el proceso se llaman camino o trayectoria del proceso.

Para que se dé este proceso es necesario que haya interacción entre el sistema y el entorno, y esto sólo puede ocurrir a través de la pared. Básicamente hay tres tipos de interacción: mecánica, másica y térmica. La interacción mecánica se debe a una variación en las variables extrínsecas (por ejemplo el volumen) y se producirá hasta que las variables intrínsecas asociadas (en el caso del volumen sería la presión) se igualen en el entorno y el medio. En este caso decimos que la pared es adiabática. La interacción másica se debe al intercambio de materia a través de una pared permeable. Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso la pared se denomina diatérmica.

Decimos que el sistema es abierto si pueden existir los tres tipos de interacción, decimos que es cerrado si no se permite el intercambio de materia y decimos que es aislado si no se permite ningún intercambio de energía.

4.3 Sistemas de tracción: Tipos y desarrollo de los medios de tracción. Comparación desde el punto de vista de la operación. Comparación desde el punto de vista energético. Tracción a vapor. Tracción diesel Tracción eléctrica.

El transporte ferroviario ha de ser uno de los elementos más importantes en el futuro de la movilidad. En unos tiempos en los que se priorizan los sistemas sostenibles, el ferrocarril presenta múltiples ventajas, tanto a nivel medioambiental como económico. La sociedad ha entendido que un transporte basado en un gasto energético de combustibles contaminantes no es sostenible.

Los tipos de tracción que se emplean de forma intensiva en la actualidad en elferrocarril son la tracción eléctrica y la tracción diésel, pero existen o han existidootros sistemas con poco uso en la actualidad (la tracción vapor y tracción por turbinade gas).

Tracción vaporPara que naciese el ferrocarril fue requisito previo el invento de una máquina quecrease su propio movimiento, a partir de la recepción de energía del exterior. Laprimera máquina o locomotora conocida (y con la que comenzó la andadura del

ferrocarril) es la de vapor.En esencia, la máquina de vapor es un vehículo con un depósito (caldera) lleno deagua que se calienta al quemar un combustible (al principio era carbón o madera,pero posteriormente se evolucionó también hacia el fuelóleo). Al calentarse el agua,se produce vapor de agua, y al expandirse éste, se mueven unos pistones situados encilindros y se traslada el movimiento a las ruedas a través de un sistema debielas-manivelas. Este principio básico constituyó la única máquina conocida hastabien entrado el siglo XIX, y evolucionó fuertemente para conseguir mayores potenciasy velocidades.Ventajas e inconvenientesUno de los principales obstáculos al desarrollo de la locomotora de vapor hay quebuscarlo en el inconveniente que supone la gran cantidad de carbón que quema unalocomotora y la subsiguiente necesidad de aprovisionar permanentemente la máquinade combustible. También, al evaporarse el agua de la caldera, las locomotoras devapor necesitan frecuentes aprovisionamientos de agua; por lo tanto era habitual verunas grúas hidráulicas (con sus depósitos de agua) junto a la vía en lugaresestratégicamente situados en los cuales las locomotoras reponían el agua que habíanconsumido. En algunos países (como Inglaterra o Francia) se instalaban canales deagua entre los dos carriles de la vía, y al pasar por ellos la locomotora (con una palaespecial) recogía agua en marcha, evitando la parada para el aprovisionamiento.Las locomotoras de vapor fueron evolucionando al incrementar el tamaño de lacaldera, el número de ruedas y su tamaño, y posteriormente se introdujeron mejorastales como aumentar el número de cilindros (unos trabajando en alta y otros en bajapresión) o dividir la locomotora en dos partes articuladas entre sí.La locomotora de vapor dejó de ser hegemónica ya bien entrado el siglo XX y losúltimos ejemplares que se fabricaron lo fueron poco después de la mitad de esesiglo. En España, las postreras locomotoras de vapor se construyeron en 1960, y latracción vapor desapareció en servicio regular en la red de ancho normal en 1975.

En los últimos años, uno de los problemas básicos, que era el suministro de carbón,se había solucionado con la utilización del fuelóleo como combustible. La fuelización en España se realizó desde los años 50 y afectó a la mayor parte de las grandeslocomotoras de vapor.Además de las limitaciones de suministro ya descritas, la locomotora de vaporpresentaba el problema de la enorme dificultad para aumentar la potencia porencima de unos ciertos valores, y sobre todo un bajísimo rendimiento energético. Enefecto, el motor de vapor necesita grandes cantidades de combustible para producirel movimiento; motivo por el cual fue desechado y sustituido por máquinas conmayor productividad.Por otra parte, para la conducción y aprovisionamiento de la máquina de vapor senecesitaba gran cantidad de personal sometido a condiciones de trabajo inhumanas:normalmente la dotación de una locomotora la componían el maquinista y elfogonero, este último se dedicaba a alimentar el fuego paleando carbón.La tracción vapor desapareció del servicio regular de transporte en los primeros añosdel siglo XX, siendo en Cuba y China los últimos países en los que se empleó. Existenen el mundo, sin embargo, numerosos ferrocarriles turísticos que utilizan este tipo demáquinas, y también parques de ocio en los que circulan nuevas locomotoras devapor alimentadas por gasóleo.Oportunidades de futuroEs preciso anotar algunas posibilidades de la tracción vapor que sugieren que suutilización futura pueda ser considerada en ciertos casos.En primer lugar, la máquina de vapor puede emplear una gama muy amplia decombustibles, incluyendo los de la biomasa, por lo que en ciertos entornos puedesustituir con ventaja al motor diésel.En segundo lugar, y algunos desarrollos realizados en Argentina y Suizarecientemente han elevado de forma importante su rendimiento. Sobre laexperiencia Suiza, concretada en la mejora y modernización de una antigualocomotora, señala Ángel Maestro (2003): “Las pruebas efectuadas en diversostramos de la red suiza, entre Winterthur y Frauenfeld y remolcando el OrientExpress han resultado apabullantes en relación con la locomotora original. Se haconseguido aumentar su potencia en un 30%, pasando de 2.200 CV a 3.000 CV,obteniendo una disminución del consumo de combustible de un 40 %, aumentando lavelocidad de 80 km/h a 100 km/h. (…) Los rendimientos son también sensacionales,

lejanos de ese 5% esgrimido por los detractores de la máquina de vapor,demostrando sus enormes posibilidades sin explotar, que no es “un extravaganteconsumidor de carbón”, como diría un cierto personaje a principios de los años 50.Se ha pasado del rendimiento del 13% logrado por Porta en anteriores realizaciones,al 15 % de Wardale –en servicio normal un 13%-, ahora al 16’5-17 %. En la relaciónpeso/potencia Porta diseñó hace años máquinas avanzadas, pero no correspondientesa la ultimísima tecnología, disponiendo de una relación 44 CV/t”.También en Cuba, en el año 2003, se terminó la reconstrucción de una locomotora devapor con nuevas técnicas, de alto rendimiento, baja contaminación y, lo que es másimportante, que permite la independencia del petróleo. En esta línea, cabe preverque en entornos locales (lo que limita los inconvenientes del aprovisionamiento deagua) y en ciertas condiciones, pequeñas máquinas de vapor pueden realizar unservicio energéticamente eficiente.

4.1.2 La tracción eléctricaLas locomotoras eléctricas se desarrollan desde finales del siglo XIX por un dobleimpulso. Por una parte, por la necesidad de resolver en los ferrocarriles subterráneos(fundamentalmente urbanos) el problema de la contaminación que producían las máquinas de vapor; por otro lado, por la conveniencia de aumentar la potencia en laslíneas con fuertes rampas y pendientes, en las cuales las máquinas de vapor teníanun rendimiento muy bajo (lo que obligaba a emplear dos o tres máquinas) y pocavelocidad.La tracción eléctrica ofrece enormes ventajas en cuanto a limpieza, potencia,rendimiento, etc., frente al vapor, pero presenta el inconveniente de la necesidaddel suministro continuo de energía. Este inconveniente ha impedido el desarrollo agran escala de vehículos de carretera de tracción eléctrica porque requierenacumuladores de energía muy pesados. Sin embargo, al circular el ferrocarril sobreuna vía con un único grado de libertad, se aprovecha la posibilidad de suministrar laenergía eléctrica al tren en el momento que la va necesitando, con un conductorparalelo a la misma vía (cables aéreos o tercer carril).

En ocasiones se ha empleado un tercer carril para suministro de energía al tren, peroha sido frecuentemente desechado por dificultades técnicas y sobre todo por motivosde seguridad, ya que cualquier viandante puede resultar electrocutado al tocarsimultáneamente uno de los dos carriles sobre los que circula el tren y el que lealimenta de energía eléctrica.Más utilizada es la alimentación al tren con conductores aéreos situados sobre la vía.Estos conductores empezaron siendo cables muy sencillos, pero posteriormente sefue mejorando la instalación para mantener perfectamente la horizontalidad,surgiendo así la catenaria o conjunto de cables que aseguran el suministro de energíaa los trenes. A su vez, las máquinas eléctricas tienen en su parte superior unpantógrafo de altura variable que se va adaptando a la posición de la catenaria parala captación de corriente.Desde el primer momento, se comprobaron las ventajas de la tracción eléctricafrente a la tracción vapor. Sin embargo, al requerirse unos mayores gastos inicialesde instalación (catenaria, subestaciones que reciben la energía de la red, adquisiciónde material motor más sofisticado) solamente es económicamente interesante laelectrificación a partir de un cierto nivel de tráfico.Como ya se ha señalado, primero se electrificaron las líneas urbanas y las que tienenmayores pendientes, pero posteriormente (a partir de mediados del siglo XX) se lanzóuna campaña de electrificación más extensiva para dar continuidad a las existentes,y así lograr una tracción homogénea de los trenes a lo largo de su recorrido.Modernamente, la tracción eléctrica (que ha entrado en competencia con la traccióndiésel) se ha revelado como la única capaz de desarrollar muy altas velocidades, porlo cual, a las ventajas tradicionales se ha añadido su exclusividad en el campo de laalta velocidad. En efecto, para explotación regular por encima de 220-240 km/hestá prácticamente desechada la tracción diésel o la tracción a base de turbinas degas (que fue experimentada a mediados de siglo en Francia). La alta velocidad se hatransformado en un patrimonio exclusivo de la tracción eléctrica. Los equipos hanevolucionado muy notablemente desde las primeras locomotoras eléctricas. Enefecto, han pasado de tener sistemas de control basados en mecanismos complejos y

en resistencias, a sistemas electrónicos; y el motor ha pasado de ser de corrientecontinua (el más empleado en los primeros años de la electrificación) a ser decorriente alterna trifásico (síncrono y, mas frecuentemente, asíncrono).El suministro de energía al tren puede ser en corriente continua (tensiones de 600V,1.500 V y hasta 3 kV) o en corriente alterna (el sistema normal, empleado en las másmodernas electrificaciones y en todas las de alta velocidad es 25 kV a 50 Hz, aunqueen Japón hay líneas 25 kV 60 Hz, y en Alemania y en otros países de su entorno a 15kV, 16 2/3 Hz).El rendimiento energético de la tracción eléctrica es muy alto en la máquina, delorden del 80-90%, el mayor de entre todos los tipos de tracción. Sin embargo, elanálisis del rendimiento global debe tener en cuenta el rendimiento con el que se produce y transporta la energía eléctrica que consume el sistema ferroviario (esterendimiento y los factores de emisión pueden variar en el tiempo y entre países).Este análisis global, puede llegar a bajar el rendimiento de la tracción eléctricacerca de los valores de la tracción diésel, por lo que puede afirmarse que la ventajade la tracción eléctrica frente a la diésel no proviene de un mejor rendimientoenergético, aunque si produce normalmente menos emisiones de CO2, menos energíano renovable, y deslocalización de las emisiones de contaminantes de efecto local.Utilización de la tracciónLos trenes de tracción eléctrica no pueden circular por líneas no electrificadas, perolos vehículos diésel sí que pueden hacerlo por líneas electrificadas, por lo que espreciso adoptar decisiones en el ámbito de la explotación sobre si interesa o no, ycuándo, que circulen vehículos diésel por líneas electrificadas (bajo catenaria).Las razones que, en un momento determinado, pueden favorecer el empleo de latracción diésel en líneas electrificadas se refieren a trenes que circulan en la mayorparte de su recorrido por líneas no electrificadas y que recorren un tramo cortoelectrificado. En este caso, puede no ser interesante cambiar la locomotora, pues elmenor coste de tracción no se compensaría con el tiempo perdido y la duplicidadrecursos necesarios. También si al final del recorrido el tren debe entrar a unapartadero o punto de descarga no electrificado puede interesar que sea la propia

máquina titular del tren la que haga la maniobra.Este problema se soluciona modernamente con vehículos (locomotoras o trenes)“híbridos”, que son a la vez eléctricos y diésel-eléctricos.

Tracción diéselLa aparición de los motores de combustión interna (de gasolina y gasóleo) que seaplicaron a la automoción desde los últimos años del siglo XIX, apuntaron laposibilidad de sustituir con ventaja las máquinas de vapor. Sin embargo, hastaentrado el siglo XX, el desarrollo de vehículos ferroviarios con este nuevo tipo detracción fue muy limitado.Primero se empleó el motor de gasolina y posteriormente el de gasóleo (diésel) paraaumentar las potencias; pero en todo caso, hasta la construcción de grandes motoresdiésel, la aplicación ferroviaria se limitó a automotores (vehículos semejantes a losautobuses con ruedas ferroviarias que circulaban por la vía). Estos automotores, concajas de cambio análogas a las de los autobuses, tenían al principio pequeñosmotores de gasolina; posteriormente fueron adoptando motores diésel, pero noconsiguieron acoplarse éstos en las locomotoras por falta de potencia, y sobre todopor falta de un desarrollo adecuado de las transmisiones, ya que la tradicional cajade cambios mecánica no permite trabajar con altas potencias.Entrado ya el siglo XX se fueron construyendo motores cada vez más potentes quehan permitido el desarrollo de locomotoras diésel, singularmente en Estados Unidos yGran Bretaña donde la electrificación ha tenido poca penetración y se ha preferidosiempre la versatilidad del diésel.Frente a la tracción vapor, la diésel tiene la ventaja de una conducción más limpia yfácil, de un aprovisionamiento más sencillo, y de un suministro de combustible máságil. Por otra parte, también permite potencias mayores sin aumentar el peso de lalocomotora. Frente a la tracción eléctrica tiene la ventaja de que no precisa lasinversiones iniciales ni el gasto de conservación de la catenaria; pero presenta elinconveniente del menor rendimiento energético de la máquina, mayores emisiones;emisión de productos contaminantes en el lugar de circulación de la máquina; ymayor costo de combustible, aunque estas diferencias oscilan en función de laestructura de generación energética de cada país.Lo cierto es que la tracción diésel ha sustentado el desarrollo del ferrocarril de

mercancías en Estados Unidos, mientras que en la Europa continental se ha destinadofundamentalmente a servicios de maniobras y de mercancías en las líneas noprincipales y desde los años 60 ha “barrido” las máquinas de vapor, de manera queen todos los países europeos la tracción vapor ha sido sustituida por la diésel.Modernamente, los motores diésel mueven generadores que alimentan motores detracción eléctricos (en las llamadas máquinas diésel-eléctricas) con lo cual se haconseguido el mayor apogeo de la tracción diésel, al combinar las ventajas delsuministro del motor diésel con las de la transmisión eléctrica. Además, la traccióndiésel presenta una alta flexibilidad para la explotación, ya que puede circular portodo tipo de líneas, con independencia de que estén electrificadas o no, sucombustible tiene una excelente red de distribución y las locomotoras tienen unagran autonomía.Por el contra, las máquinas diésel no son aptas para muy altas potencias (lo quedesaconseja su uso con frecuentes aceleraciones o en alta velocidad), el rendimientoenergético en el vehículo es bajo (del orden del 30 al 35 %), dependen casitotalmente del petróleo y tienen un nivel alto de emisiones y de contaminaciónlocales, lo que hace imposible su utilización intensiva en líneas subterráneas.La tracción diésel está evolucionando mucho, especialmente en Norteamérica con eldesarrollo de nuevos motores de mayor rendimiento y bajas emisiones, y este tipo detracción se beneficiará del desarrollo de las tecnologías de la automoción y del usode nuevos combustibles.Por otra parte, se están realizando experimentos de uso de biocombustibles para laalimentación del motor.

Tracción vapor

El origen de la máquinas de las máquinas de vapor se remonta al año 1698, cuando el ingeniero inglés Thomas Savery inventó una bomba para extraer el agua de las minas de carbón inglesas que generaba un vacío gracias al enfriamiento del vapor. Posteriormente, en 1712, el también inglés y también Thomas, pero de apellido Newcomen, mejora la máquina de Savery incluyendo un cilindro con un pistón que se movía alternativamente por el mismo principio de la expansión y compresión del vapor por su enfriamiento. Pero estas máquinas, por su funcionamiento, tenían unas pérdidas por calor enormes (su funcionamiento se basaba en enfriar el vapor) y un rendimiento bajísimo, además de que los depósitos de agua y vapor que se podían construir en la época eran bastante frágiles, y sufrían con los cambios de temperatura.

Máquina de vapor de Newcomen.

La primera patente que existe sobre una máquina de vapor perteneció al inventor español Jerónimo de Ayanz y Beaumont y data del año 1606, cosa que me ha sorprendido bastante, ya que en la memoria popular está que las máquinas de vapor las inventaron los ingleses. Además, se da la circunstancia de que dicha máquina se usaba para extraer el agua de las minas de Guadalcanal.

Con estas premisas el ingeniero James Watt, introduce una serie de mejoras en la máquina de Newcomen analizando dónde se producían las pérdidas de calor, y reduciéndolas, ya que descubrió, que el vapor caliente tiene más potencial que el vapor más frío. En 1769, Watt patentó su primera máquina de vapor, que construyó en 1774. A partir de ahí, todas las mejoras sobre la máquina hasta la invención del cilindro de doble efecto (que se mueve cuando el vapor lo impulsa en las dos direcciones) se le han atribuido a él.

Máquina de vapor de Watt.

Así las cosas, en 1804, Richard Trevithick decide aplicar la máquina de vapor de Watt a un vehículo que se mueve sobre raíles de hierro para arrastrar las vagonetas de las minas, con lo que inventó la primera locomotora de vapor. Este invento, hasta 1825, sólo se usó en las minas, ya que ese año, el también inglés George Stephenson construyó la primera locomotora de vapor (que llamó Locomotion nº 1) para el ferrocarril de Stockton a Darlington, aunque sólo para mercancías. El primer ferrocarril en usar una locomotora de vapor para viajeros fue el Canterbury-Wishtable, y el primer ferrocarril considerado "moderno" (es decir, no tan primitivo como los otros) fue el Manchester-Liverpool (parece que hablamos de un partido de fútbol) que se abrió en 1830. Estos tres ferrocarriles usaron locomotoras construidas por el propio Stephenson.

Locomotora de vapor de Trevithick.

La locomotora Locomotion No.1 de Stephenson en el Darlington Railway Centre and Museum, Reino Unido.

Tracción eléctrica

Aunque parezca mentira, la tracción de trenes gracias a la electricidad es anterior a la tracción con motores térmicos (diesel, en su mayoría). Y es que, la primera locomotora eléctrica la inventó un escocés llamado Robert Davidson en 1837. Se movía gracias a celdas galvánicas (una especie de baterías muy primitivas) que daban muy poca potencia. Por eso, la gran locomotora que construyó en 1839 para el ferrocarril de Edimburgo a Glasgow quedó en el olvido. Lamentablemente, no hay imágenes de esta máquina.

No fue hasta 1879 cuando un alemán, Werner von Siemens (seguro que el apellido os suena de algo) inventó el primer tren eléctrico. Y si por tren eléctrico os estáis imaginando a un niño jugando con el "Ibertren" en el suelo de su habitación haciendo que un tren dé vueltas y más vueltas a un óvalo, eso es exactamente lo que inventó von Siemens. Bueno, exactamente no, pero muy parecido. Se trataba de un recorrido circular de 300 metros de longitud en el que se movía una locomotora con tres vagones y la gente se subía en él para dar una vuelta. Eso sí, fue el primer tren eléctrico en el que la fuente de alimentación era externa al propio tren, y es que la corriente la tomaba de un tercer carril instalado en el centro de la vía.

Reproducción del primer tren eléctrico, fabricado por Werner von Siemens. Foto mía en el Deutsches Museum, Munich, en septiembre de 2010.

Y aquí, la carrera la ganaron los alemanes, puesto que lo primeros trenes comerciales con tracción eléctrica fueron los tranvías de la ciudad de Lichterfelde en 1881, cómo no, construidos por Werner von Siemens. Dos años más tarde, en 1883 se inauguraba el primer ferrocarril eléctrico de Gran Bretaña.

Aquí también hay cierta controversia, pues, dependiendo de la fuente que se consulte, los primero tranvías eléctricos fueron los de la ciudad rusa de Sestroretsk, cerca de San Petersburgo. En la propia Wikipedia, dependiendo del idioma en el que se lea el artículo, aparecen ambos datos.

Tracción diesel

Una locomotora diesel es la que se mueve gracias a un motor de combustión interna de ciclo Diesel. Esto tan raro que he dicho es que lleva un motor diesel dentro, como el de cualquier coche que veáis por la calle, pero a lo bestia.

El origen de los motores de combustión interna se remonta al año 1853 en que dos italianos, Eugeni Barsanti y Felice Matteucci (un sacerdote y un ingeniero), describieron cómo debería de funcionar un motor capaz de generar movimiento al quemar un combustible dentro del mismo (por eso lo de combustión interna). Posteriormente, en 1862, el francés Alphonse Beau de Rochas hizo una serie de estudios para mejorar el rendimiento del motor de los italianos, que era paupérrimo. Pero fue un alemán, el ingeniero Nikolaus Otto, quien, en 1886 construyó un motor de combustión interna con un rendimiento aceptable basándose en los estudios de los anteriores. Pero la gasolina tenía un problema y es que puede reaccionar muy violentamente provocando una explosión. Así que otro alemán, Rudolf Diesel se dedicó a investigar con motores de combustión interna, pero que usaran un combustible alternativo menos peligroso. Así, en 1897, construyó para la firma MAN el primer motor Diesel, que quemaba "fuel-oil" ligero, un derivado del petróleo que hoy día llamamos gasóleo.

No vamos a entrar en detalle de cómo son los motores, su ciclo de funcionamiento y demás, porque nos desviaríamos totalmente del tema de los trenes, pero sólo aclarar que en el motor Otto, o motor de gasolina, es necesaria una chispa que inflame la mezcla de combustible y aire comprimida en el cilindro, mientras que en el motor Diesel, se inyecta a alta presión una cantidad determinada de combustible dentro del cilindro con el aire comprimido y éste se inflama espontáneamente. Debido a sus diferentes características, los motores de gasolina son los más utilizados en aplicaciones ligeras, y los Diesel en aplicaciones más pesadas, como en el caso que nos ocupa, los trenes.

Las primeras aplicaciones de motores de combustión interna a los trenes datan de 1891 en que construyó una pequeña locomotora de maniobras (un motor de gasolina) pero con pobres resultados, por lo que se descartó seguir construyéndolas. En 1912 se construye la primera locomotora diesel de gran potencia del mundo, adquirida por los ferrocarriles prusianos (lo que hoy día sería Alemania, más o menos), pero tenía el problema (junto con todas las que se desarrollaron esos años) de que sus transmisiones mecánicas (como una caja de cambios, pero a lo bestia) no eran tan resistentes como necesitaban las grandes cargas del ferrocarril. Así que a un ingeniero ruso, el profesor Yuri Vladimirovich Lomonosov ideó las locomotoras diesel-eléctricas. Su primera locomotora, y por tanto la primera diesel del mundo, fue construida en Alemania por la AG für Lokomotivbau Hohenzollern bajo su dirección entre 1923 y 1924. Posteriormente, en Estados Unidos, construyeron, en 1925 la primera locomotora diesel-eléctrica del continente americano.. El siguiente hito en las locomotoras diesel es la aparición, en 1935 de la primera locomotora diesel hidráulica de gran potencia.

Foto de la primera locomotora diesel-eléctrica, construida por Lomonosov para los ferrocarriles soviéticos en 1924.

Locomotoras de vapor[editar]

Artículo principal: Locomotora de vapor

Locomotora 01 1531.

Una locomotora de vapor es una máquina que, mediante la combustión de un elemento

(carbón, fueloil, madera, biomasa, etc.) en una caldera, calienta agua, el vapor resultante de la

ebullición de ésta genera presión y mueve pistones que impulsan las ruedas mediante un

juego de bielas (por esta razón se llaman motores de combustión externa). Las locomotoras

debían ser reabastecidas de agua cada determinado tiempo, ya que sin ella no funcionaría el

sistema.

Aunque no se utilizan en servicio regular (sí, en servicios especiales o turísticos) en la mayoría

de los países del mundo desde mediados de la década de los 70, el incremento de los precios

del petróleo ha hecho que se modernicen locomotoras de vapor existentes2 y se construyan

nuevas con la más moderna tecnología.3

Locomotoras diésel[editar]

Una locomotora diésel-eléctricaGE U12 afectada al servicio de pasajeros.

Un coche motor diésel, también conocido como automotor, perteneciente al ferrocarril croata.

Las locomotoras diésel son aquellas que utilizan como fuente de energía la producida por

un motor de combustión interna de ciclo diésel, estos motores pueden ser de dos o cuatro

tiempos, siendo muy utilizados los de dos tiempos. La trasmisión de la potencia se realiza

con transmisión mecánica convencional en pequeñas locomotoras de

maniobra, dresinas, ferrobuses, automotores y máquinas auxiliares. En locomotoras de mayor

potencia, la transmisión mecánica no es adecuada y se sustituye por la trasmisión hidráulica o

eléctrica.

Existen locomotoras diésel de transmisión eléctrica o hidráulica arrastrando trenes de viajeros

capaces de superar los 250 km/h. Una locomotora diésel-eléctrica se considera el medio de

tracción para ferrocarriles más indicado cuando las condiciones son adversas: temperaturas

bajo cero, fuertes pendientes y trenes de gran tonelaje.

Locomotoras diésel-eléctricas[editar]

Artículo principal: Locomotora diésel-eléctrica

La Locomotora diésel-eléctrica (también llamada híbrida eléctrica) consiste básicamente en

dos componentes: un motor diésel que mueve un generador eléctrico, y varios motores

eléctricos (conocidos como motores de tracción) que comunican a las ruedas (pares) la fuerza

tractora y que mueven la locomotora. Generalmente, hay un motor de tracción por cada eje,

siendo generalmente 4 o 6 en una locomotora típica. Los motores de tracción se alimentan

con corriente eléctrica procedente del generador principal y luego, por medio de piñones,

mueven los ejes en donde están acopladas las ruedas.

Por otro lado, el tren puede llevar baterías (que se pueden recargar en paradas

predeterminadas) o supercondensadores(que se pueden recargar en cuestión de pocos

minutos en cada parada).

Locomotoras diésel-hidráulicas[editar]

Artículo principal: Locomotora diésel-hidráulica

Las locomotoras diésel-hidráulicas utilizan un sistema de turbinas hidráulicas acopladas entre

sí. El mecanismo permite hacer llegar la potencia de forma gradual desde el motor girando

permanentemente hacia las ruedas que parten de parado. El principal inconveniente de este

sistema es la incapacidad de mover cargas muy grandes, por lo que se usa principalmente

en automotores.

Locomotoras eléctricas[editar]

Artículo principal: Locomotora eléctrica

Locomotora eléctrica serie 252 de Renfe.

Interior de la estación Madrid Puerta de Atocha. Trenes AVE, con locomotoras eléctricas Bombardier,

formando parte de la Serie 112 deRenfe.

Las locomotoras eléctricas son aquellas que utilizan como fuente de energía la energía

eléctrica proveniente de una fuente externa, para aplicarla directamente a motores de tracción

eléctricos.

Las locomotoras eléctricas requieren la instalación de cables eléctricos de alimentación a lo

largo de todo el recorrido, que se sitúan a una altura por encima de los trenes a fin de evitar

accidentes. Esta instalación se conoce como catenaria, debido a la forma que adopta el cable

del que cuelga el cable electrificado, que debe permanecer paralelo a las vías. Las

locomotoras toman la electricidad por un trole, que la mayoría de las veces tiene forma

de pantógrafo y como tal se conoce. En otros casos, pueden tomar la corriente de la propia

vía (se requiere que haya al menos un carril electrificado), sin necesidad de catenaria ni de

pantógrafo.

El coste de la instalación de alimentación hace que la tracción eléctrica solamente sea

rentable en líneas de mucho tráfico, o bien en vías con gran parte del recorrido en túnelbajo

montañas o por debajo del mar, con dificultades para la toma de aire para la combustión de

los otros tipos de motor.

Una vez desarrollada una línea ferroviaria para la circulación de vehículos eléctricos, hace que

la elección de este tipo de tracción sea el más económico, el menos contaminante y el más

rápido. En los años 1980 se integraron como propulsores de vehículos eléctricos ferroviarios

los motores asíncronos, y aparecieron los sistemas electrónicos de regulación de potencia que

dieron el espaldarazo definitivo a la elección de este tipo de tracción por las compañías

ferroviarias.

Las dificultades de aplicar la tracción eléctrica en zonas con climatología extrema hace que las

compañías y gobiernos se inclinen por la tracción diésel. La nieve intensa y su filtración por

ventiladores a las cámaras de alta tensión originan derivaciones de circuitos eléctricos que

desaparecen al secarse adecuadamente el circuito, pero que dejan inservibles estas

locomotoras mientras dure el temporal. Las bajas temperaturas hacen que el hilo de contacto

de la catenaria quede inservible durante minutos o meses, ya que este tipo de locomotoras

requiere actualmente una conexión constante sin pérdidas de tensión.

Comparación medioambiental entre la tracción eléctrica y la tracción diésel en el ferrocarril

En el pasado, los criterios para tomar decisiones, como la de electrificar líneas, se apoyaban en prioridades económicas (básicamente comparando las inversiones con los diferenciales de costes de explotación) y las consideraciones ambientales se limitaban a la comparación de la cantidad de energía primaria empleada. En la actualidad hay que atender a otros criterios, como son las emisiones de gases de efecto invernadero o la contribución al agotamiento de los combustibles fósiles. Se concluye que, si bien en términos de energía primaria puede no haber grandes diferencias, sí las hay al comparar las emisiones de CO2 o el consumo de energías no renovables.

El ferrocarril, en la actualidad, utiliza dos tipos de tracción: eléctrica y diesel que, respectivamente, emplean como vectores energéticos la electricidad y el gasóleo. En el pasado se han empleado otros tipos de tracción (vapor, motor de gasolina y turbina de gas), y es previsible que en el futuro se planteen tipos de tracción o vectores energéticos alternativos (biocombustibles, hidrógeno, etc).En el año 2007 los ferrocarriles españoles emplearon, para tracción y para servicios auxiliares de los trenes (aire acondicionado, iluminación, etc.) un total de 3.203 GWh de energía eléctrica (medidos a la salida de las centrales generadoras) y 108,4 millones delitros de gasóleo. En este artículo se comparan las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de energía (distinguiendo entre renovable y no renovable) de la tracción eléctrica y la diésel en España en el momento actual. Estos resultados, junto con otros efectos medioambientales (ruido, contaminación local, desechos de lubricantes), y consideraciones de tipo económico, podrían servir para orientar sobre las decisiones de electrificar o no las líneas ferroviarias. Al tratarse éste de un problema complejo (que en la actualidad ha desbordado los estudios clásicos), se ha preferido abordar únicamente una parte de la cuestión (la comparación de las emisiones de gases de efecto invernadero y de consumo de energía renovable y no renovable), dejando para un estudio posterior el análisis de la oportunidad de la electrificación desde un punto de vista más global.

Muchos de los datos necesarios para realizar el estudio con el necesario rigor y con nivel de actualización proceden del Proyecto de investigación “EnerTrans” en el que se ha estudiado con detalle la cuestión del consumo de energía en el transpor te, y que ha contado con un amplio consorcio de entidades investigadoras1.

La comparación entre ambos modos de tracción es interesante por cuanto el ferrocarril es, junto con el transporte por tubería, el único modo de transpor te que emplea masivamente energía eléctrica. De hecho, alrededor del 85,4% de las toneladas/km deRenfe se movieron con tracción eléctrica y menos del 15% con gasóleo.En el ferrocarril, a diferencia de la tubería, la electricidad convive con la tracción diesel.Por ello es posible plantearse (y, de hecho, se plantea con frecuencia) la comparación, desde diferentes puntos de vista, entre la tracción eléctrica y la diésel.Hay muchos tipos de servicios (cercanías, alta velocidad) en los que no hay lugar a la elección porque la tracción eléctrica resulta casi siempre imprescindible. Pero en otros muchos casos (servicios regionales, intercity o de mercancías) puede plantearse la disyuntiva.De hecho, mientras en la Europa continental predominan las líneas electrificadas, en Gran Bretaña y América la electrificación es una excepción.En este sentido, la experiencia del ferrocarril puede ser de interés para otros modos de transporte, lo que es relevante cuando se está planteando la hibridación de los automóviles como paso intermedio para el coche eléctrico conectado a redes eléctricas inteligentes.

Diferencias energéticas entre los dos tipos de tracción

Los efectos perjudiciales del consumo de energía por el sector de transporte proceden fundamentalmente de tres ámbitos:

• Contribución al agotamiento de los combustibles fósiles (principalmente del petróleo, pero también del gas y del carbón), cuyas existencias son limitadas, y aunque el final de la extracción económicamente viable es desconocido, parece que se encuentra relativamente próximo en los casos del petróleo y del gas.

• Contribución al cambio climático, como consecuencia de los procesos de combustión (y la subsiguiente emisión de gases de efecto invernadero asociados al consumo de energía y a las transformaciones previas necesarias).

• Contribución a la contaminación local, tanto en lo que se refiere a la calidad del aire, como al ruido. Estos efectos son cualitativamente comunes a la tracción eléctrica y a la diésel, pero se trata de reflexionar sobre las diferencias que, en su cuantificación, hay entre uno y otro tipo de tracción.

Las diferencias desde el punto de vista del consumo de energía y de las emisiones entre la tracción diésel y la eléctrica se concretan en tres aspectos:

• Diferente cantidad de energía perdida en los procesos de transformación y transporte de la energía antes de llegar al vehículo y en los rendimientos del propio vehículo.

• Diferencias en el origen de la energía empleada, lo que se concreta en la posibilidad de utilizar energías renovables y sin emisiones de gases de efecto invernadero en la tracción eléctrica, pero no en la diésel.

• Posibilidad de emplear el freno regenerativo en la tracción eléctrica, y por tanto, de reducir el consumo neto de energía y las emisiones.

De lo expuesto, pueden extraerse las siguientes conclusiones:

1. En la actualidad existe una notable ventaja en la tracción eléctrica frente a la tracción diesel (además de por la deslocalización de los ruidos y emisiones de efecto local) porque la tracción eléctrica requiere, para el mismo servicio, menos energía primaria (del orden del 25% menos), menos energía procedente de fuentes fósiles y por tanto no renovables (del orden de 45% menos) y menos emisiones de gases de efecto invernadero (alrededor de un 59% menos).

2. Las emisiones y el consumo de energía primaria y fósil de la tracción diesel son bastante estables en el tiempo y uniformes entre los diversos países. No ocurre así en el caso de la electricidad, donde el mix de generación, varía de unos países a otros y de unos años.

3. La diferencia entre tracción eléctrica y diésel tenderá a aumentar aún más favor de la electricidad en la medida en que vaya cambiando el mix de generación hacia fuentes renovables y con menos emisiones de gases de efecto invernadero.

4. La posibilidad de emplear freno eléctrico regenerativo reduce de forma significativa (entre un 17 y un 36%) el consumo neto de energía (y por tanto las emisiones) en la tracción eléctrica.

5. Pese a la ventajas anteriores, el tratamiento regulatorio y fiscal de la tracción eléctrica es menos favorable que el de la diésel (paga Impuesto de Electricidad, derechos de emisión de CO2 correspondientes a la generación de electricidad y no recibe remuneración alguna por la energía devuelta a la red pública). La corrección de estas anomalías enviando señales adecuadas a los operadores, podría contribuir a estimular la electrificación de líneas, a aumentar el peso del freno regenerativo y la cantidad de energía recuperada. Todo ello tendrá un efecto favorable en orden a reducir el consumo de energías no renovables y las

emisiones de gases de efecto invernadero por el ferrocarril y el conjunto del sistema de transporte.

6. No conviene olvidar que los valores indicados son medias representativas de la situación actual, y se presentan para ayudar a cuantificar las diferencias entre ambos tipos de tracción, pero de ellos no se puede sacar conclusiones de validez universal. Cada caso requiere un estudio específico.

4.5 Tendencia del vehículo ferroviario: Nuevos sistemas de tracción. Los vehículos ferroviarios estándar. Materiales especiales para los vehículos ferroviarios.

Se le conoce como material rodante a todos los tipos de vehículos dotados de ruedas capaces de circular sobre una vía férrea cuyo principal objetivo es trasportar diferentes tipos de cargas.Los mismos se pueden clasificar de muchas formas, aunque los criterios fundamentales para clasificar el material rodante suelen ser su capacidad tractora y su uso comercial. En este artículo de divulgación tecnológica/científica se presentan varios aspectos del material rodante tales como: tipos de trenes, ventajas y desventajas de cada uno de ellos, características y partes del material móvil ferroviario y tipos de material móvil remolcado.

Trenes convencionales y automotoresDentro del material móvil hay diversos tipos de vehículos que pueden ser motores o material remolcado. Dentro del material motriz se encuentran las locomotoras y los automotores. En las siguientes figuras se presentan las clasificaciones de las locomotoras de acuerdo a la tracción que las acciona.

Existe otro tipo de clasificación de las locomotoras que corresponden a su funcionalidad, es decir, allí encontramos locomotoras de maniobras, locomotoras de carga para los medios y largos recorridos y, las locomotoras para servicios de viajeros que llegan a alcanzar hasta 220 km/h, como las últimas 252 de RENFE de 90 toneladas.

En cuanto a su nomenclatura, los vehículos ferroviarios tienen asignada una matrícula internacional que está integrada dentro de la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC) y que corresponde a parámetros tales como el tipo de vehículo, la compañía a la que pertenece y el país en el que está inscrita en los registros. Luego, con respecto a la distribución de la tracción en el material rodante nos encontramos con los trenes convencionales y automotores.• Trenes convencionales: se caracterizan por las locomotoras, que son los vehículos que dan tracción a los trenes convencionales (locomotora(s) + coches o vagones); es decir, es una locomotora que tira de una serie de vagones o coches.• Automotores: cuando la tracción se incorpora en los mismos vagones o coches; ocasiona una composición indeformable con un número fijo de vagones y, se forma un vehículo que en el argot ferroviario se denomina “automotor”; otros autores los denominan “material autopropulsado” o “unidad del tren”.

Los coches con ausencia de tracción también se llaman remolques. Existen coches motores con cabina y sin cabina. Los coches intermedios también pueden denominarse por la letra R sola si son remolcados, o con la letra S o M si son motrices (en algunos sitios se utiliza la letra S para definir los coches motores sin cabina).Hay ocasiones en las que la tracción es distribuida a lo largo de todo el tren, y existen coches con capacidad motriz que no disponen de cabina. El tren serie 7000 o el 9000 de Metro de Madrid dispone de unidades motrices sin cabina. Igualmente el ICE-3 alemán o serie 103 de RENFE tiene coches motores sin cabina.Como desventajas del material rodante autopropulsado frente al convencional tenemos dos aspectos: la rigidez de las composiciones y la comunicación entre composiciones acopladas. El primer aspecto se refiere al hecho de que, como los automotores se utilizan sobre todo para transporte de viajeros, la única forma de variar la oferta de plazas en un servicio asegurado por automotores, es acoplando 2 o 3 de ellos, pero en ese caso la oferta de plazas aumenta bruscamente, por lo que la adaptación a la demanda es peor que en el caso de los trenes convencionales. Los trenes convencionales pueden adaptarse mejor a la demanda incorporando o segregando coches o vagones. El segundo aspecto negativo se refiere a que hay que disponer de puertas de intercomunicaciones en el frontal de las cabinas y éstas suelen dar problemas de estanqueidad. En la mayoría de los automotores modernos se ha optado por suprimirla.

Características generales del material móvilTanto el material móvil motor como el material remolcado tienen las siguientes características:

Ruedas troncocónicas: la inclinación de las generatrices es de 1/20, la misma que la de los carriles. Con esto se mejora el apoyo de las ruedas sobre los carriles y se ayuda a la inscripción de eje en las curvas, al permitir que cada rueda adopte un radio de contacto distinto para de esta forma poder girar a diferente velocidad lineal pero a iguales revoluciones (el eje une ambas ruedas, siendo rígido).

• Ruedas caladas: como ventaja el calaje confiere al conjunto eje-rueda una mayor robustez, que lo hace muy apropiado para el ferrocarril, donde se mueven grandes cargas a grandes velocidades. Un inconveniente es la problemática de la inscripción en las curvas. Como excepción, existe el sistema de Talgo que se muestra en la siguiente figura, en el que las ruedas no están caladas, sino que son independientes. Este sistema no es un eje típico ferroviario.

Pestañas interiores: permiten el guiado del tren.

• Cargas aplicadas sobre la parte exterior de las ruedas: el eje ferroviario sobresale de las ruedas, este saliente se denomina “mangueta”. Sobre estas manguetas se apoya la caja del vehículo (a través de la suspensión). Con esta longitud adicional del eje se obtienen dos ventajas: las cajas de los vehículos pueden ser más anchas (mayor capacidad de transporte) y, se aumenta la estabilidad de los vehículos.

• Peso suspendido y no suspendido: el peso suspendido de un vehículo ferroviario es aquel que pasa por la suspensión para llegar al carril, es decir, está amortiguado. El peso no suspendido (ejes, cajas de grasa y todo o parte del peso de los motores y/o de la transmisión) está sin amortiguar. Cuanto mayor sea el peso no suspendido de un vehículo, más agresivo será este con la vía, ya que las cargas dinámicas incidirán sobre ella bruscamente.

• Ruedas debajo de las cajas: esto permite aumentar la anchura de las cajas, ya que no se ve limitada lateralmente por las ruedas, pero penaliza la altura de las mismas, al ser el gálibo limitado.Para ganar altura, las ruedas se fabrican con un radio pequeño (normalmente de 0,5 m).

Material móvil rígido o articulado: se dice que es rígido cuando sus ejes no pueden girar respecto a un eje vertical para mejorar su inscripción en las curvas. La distancia entre 2 ejes fijos se denomina “empate”. Cuanto mayor es el empate de un vehículo, peor será su capacidad de inscripción en las curvas y, por ello su agresión a la vía y su posibilidad de descarrillar serán mayores. Hoy en día, se utilizan los vehículos articulados, cuyos ejes pueden

colocarse en una posición más o menos cercana al radio de curvatura, con lo cual mejora su inscripción. Actualmente, la mayor parte del material móvil utiliza bogies (ejes agrupados en carretones), cuyos bastidores tienen un pivote central que les permite girar. Con el material articulado se reduce el empate de los vehículos y, además (en el caso de los bogies) se obtienen más ejes sobre los cuales repartir la carga. Los vehículos articulados que mejor se inscriben en las curvas son los trenes articulados guiados, en los cuales el eje siempre se sitúa radialmente y, por ello, la rueda es tangente a los carriles.

4. Partes del material móvil ferroviarioLas partes más importantes de un material móvil ferroviario sonlas siguientes:• Caja: en su interior se sitúan los viajeros, la mercancía, los motores,etc., según el tipo de vehículo (coche, vagón o locomotora).• Bastidor: es la estructura metálica o armazón formada por elbogie, que sirve como elemento de fijación de los ejes, las ruedas,los motores de tracción y las suspensiones, entre otras partes.• Larguero: elemento longitudinal que forma parte de la estructuradel bastidor de un vehículo.• Traviesas extremas o cabeceros: elemento estructural situado enel extremo del bastidor de un vehículo que une los largueros de formaperpendicular a éstos y, que soporta normalmente los aparatos dechoque y tracción. Al conjunto de elementos que configuran la caja delvehículo sobre la traviesa extrema se le denomina “testero”.• Suspensión: la caja transmite las cargas a las ruedas a travésde la suspensión. La suspensión ferroviaria es doble: primaria ysecundaria. La suspensión primaria tiene como misión absorberlas irregularidades del carril y deformaciones geométricas de lavía, está situada entre las cajas de grasas y el bastidor del bogieo en el caso de los vagones de 2 ejes, entre la caja de grasa y elbastidor del vehículo. La suspensión secundaria es la encargadade absorber los movimientos verticales y laterales del bogie conrespecto al bastidor del vehículo; además, sirve de apoyo de éstecon el bastidor del bogie.• Cajas de grasas: las cargas de la caja pasan al bastidor, delbastidor a la suspensión y de ésta a las manguetas de los ejes através de las cajas de grasas. Son unos recipientes metálicos quecontienen lubricantes y llevan encajado un rodamiento en el apoyode las cargas sobre los ejes.• Rodadura: permite que el vehículo se mueva sobre la vía.Puede estar formada por ejes independientes o bogies. Para eldesplazamiento de los vehículos son necesarios los órganos derodadura que están compuestos por:— Eje: pieza cilíndrica de acero en la que se montan las ruedas, en los extremos están las manguetas que van dentro de losrodamientos y éstos en el interior de la caja de grasa.En algunos vehículos están instalados discos de frenos. Paraaligerar la masa no suspendida, a veces se utiliza un mecanismoconsistente en un taladro a lo largo de todo el eje. Las manguetasson la parte de los ejes sobre la que se acopla la pista interior delrodamiento permitiendo su giro. Normalmente se encuentran enlos extremos del eje (caja de grasa exteriores).— Bogie: es el conjunto de elementos constituidos por el bastidorcon elementos de suspensión, rodadura y freno. Generalmente,este bastidor suele tener una forma de H cerrada o abierta.En algunos vehículos el bastidor se utiliza para depósitosauxiliares de aire.— Rodamientos: permiten el giro de la mangueta con el mínimorozamiento posible y están lubricados habitualmente con grasaconsistente.— Caja de grasa: son los elementos que contienen los rodamientos;

están situadas en torno a la mangueta del eje y, sobre ellas,descansa el peso del vehículo a través de la suspensión.— Ruedas: son los elementos de forma circular que girancon su eje, teniendo su superficie de contacto con formatroncocónica. Éstas permiten el movimiento y guiado delvehículo. Actualmente, las ruedas son de tipo monoblock,esto quiere decir, que están fabricadas de una sola pieza. Larueda tiene tres zonas diferenciadas. La llanta es la superficiede rodadura, que presenta una forma concreta llamada perfil,que es ligeramente cónico y tiene la función de realizar elguiado, existiendo distintos tipos de perfiles dependiendo de lavelocidad, el diámetro, la masa, la solución de amortiguación,etc. La parte central de la ruedas se llama cubo. Esta es laparte que se cala en la mangueta del eje. El velo es la zonade la rueda que une la llanta con el cubo, puede ser planoo presentar un prominencia, que disminuye la masa nosuspendida, manteniendo o aumentado su resistencia lateral.

Aparatos de tracción y choque: los aparatos de traccióntransmiten la fuerza de tracción a lo largo de todo el tren. Puedenser enganches automáticos, cadenas, ganchos, barras, etc. Los elementos de choques están formados por 2 topes situados enel testero del vehículo, tienen la misión de amortiguar las fuerzaslongitudinales de compresión que se producen durante la marcha,tanto en las frenadas como en las paradas o los impactos quereciben los vagones en diferentes situaciones, protegiendo así laestructura de los vehículos y las mercancías que transportan.• Canalizaciones: discurren a lo largo de toda la composición.Las principales son la conducción de aire para el frenado del tren(que acciona las zapatas o los discos de freno de los coches yvagones) y las líneas eléctricas para tracción, gobierno y serviciosauxiliares de la composición, tales como por ejemplo climatizacióno luminaria en los coches de pasajeros.5. Tipos de material móvil remolcadoEl material remolcado es el conjunto de vehículos ferroviarios queno aporta tracción, los cuales remolcados por las locomotoras y juntocon éstas, forman parte de la comisión de los trenes. El material móvilremolcado para transportar viajeros se denomina “coche”; “vagón”, eldestinado a las mercancías y, “furgón”, el utilizado para el transporte deequipajes, paquetería, correo, etc.En los trenes de viajeros en general, la carga máxima de los vagoneses de 2/3 del peso máximo autorizado. Su peso máximo por eje suele ser20 toneladas y, su número de ejes, cuatro agrupados en dos bogies.

ELEMENTOS DEL MATERIAL FERROVIARIO:

Llegado a este punto, describimos a continuación los elementos que componen todo

vagón, coche o locomotora y que son los siguientes:

- Caja

- Bogie o carretón

- Ejes y ruedas

Empezaremos desde los elementos que están abajo hasta llegar al que está arriba:

- Ejes (o semiejes) y ruedas: La descripción de estos elementos es muy

intuitiva y de sobra por todos conocida, pero hay que notar que estos

elementos son los que entran en juego directamente con nuestra vía, estos, y

no otros. Aquí cabe recordar los conceptos que se vieron sobre rueda calada

y rueda no calada.

- Bogie: Estructura en la que se alojan los ejes y sobre la que se apoya la caja.

La unión entre un eje y el bogie se materializa mediante la caja de grasa. En

el bogie también se encuentran los motores de tracción, el reductor (elemento

que une el motor de tracción con un eje), los mecanismos de freno, los

areneros y la suspensión.

- Caja: Constituye el esqueleto o soporte en el que están instalados todos los

equipos (colgados o apoyados) que correspondan según el caso, aparte de

ser el lugar donde van los viajeros o las mercancías y donde se encuentran

las cabinas de conducción. Va unida al bogie mediante un pivote. En las

locomotoras y en el material autopropulsado encontramos en ella los

siguientes equipos:

Transformador y/o reactancias

Compresor (para generar el aire comprimido que accione el freno)

Resistencias de freno

Baterías

La suspensión la dividimos en:

-Suspensión primaria: que está aplicada entre el bogie y las

cajas de grasa de éste (para no tener una unión rígida y permitir

cierto movimiento entre ambos elementos).

-Suspensión secundaria: que está intercalada entre el bogie y la

caja, y se pone exclusivamente en composiciones de viajeros y

locomotoras para mejorar el confort.

Ventiladores

Topes

Pantógrafos (en caso de UT’s o locomotoras eléctricas)

CASO DIESEL

CASO ELÉCTRICO

LA RELACION FUERZA – POTENCIA – VELOCIDAD.

P (watt) = F (Newton).v (m/s)En ferrocarriles las unidades prácticas usadas son: la potencia en HP, la fuerza en kilogramos y la velocidad en km/hora.1 HP = 750 w1 Kgr = 9,8 N ~ 10 N1 Km/h = (1/ 3,6) m/s

RENDIMIENTO TERMODINAMICO DE LOS DIVERSOS SISTEMAS.

TRACCIÓN A VAPOR:

Es un aspecto fundamental y determinante en los resultados finales del conjunto. Un ciclo termodinámico perfeccionado acompañado de la eliminación de consumos

improductivos supone un ahorro de costes de hasta un 50% respecto a la locomotora de vapor clásica, según palabras de uno de los mayores expertos en tracción vapor, el Sr. Livio Dante Porta.

Las características más relevantes del ciclo que se podría implementar actualmente pasan por:

1. La eficiencia del ciclo está determinada por la diferencia de temperaturas a las que el foco frío absorbe calor y la temperatura a la que lo cede el foco caliente; interesa que esta sea lo menor posible. Entonces la presión de timbre de la caldera estaría entorno a los 25 Kg/cm2, elevada pero sin comprometer las propiedades de los materiales, para elevar así la temperatura a la que se absorbe calor, llegando a trabajar con una temperatura del vapor superior a los 450ºC.

2. Cuidado diseño de los conductos de vapor para evitar pérdidas de carga. Esto supone amplios conductos, evitar espacios muertos etc.

3. Expansión multi-etapa (sistema Compound) con recalentamiento intermedio. Esto supone una ampliación del ciclo teórico del vapor.

4. Utilización del vapor de escape para precalentar el agua de admisión a la caldera y el aire de la combustión.

5. Aislamiento térmico llevado al extremo de todas las superficies calientes: caldera, cilindros y cajas de vapor. Evitar pérdidas de calor va a suponer, además de incrementar el rendimiento otras ventajas que luego se comentarán.

6. El escape. Los modernos escapes Lempor permiten un magnífico control de la combustión a la vez que minimizan las contrapresiones, lo que tiene una influencia muy importante en el rendimiento del ciclo de potencia.

7. En un estudio de viabilidad para una locomotora de vapor en Cuba está previsto obtener un rendimiento de un 15% quemando bagazo, un desecho sólido de la producción de azúcar; utilizando una tecnología superior y un combustible líquido o gaseoso se puede alcanzar un rendimiento superior.

TRACCIÓN DIESEL:

1. Se puede afirmar que en los últimos años ha habido una revolución en la tecnología de los motores diesel de tracción que ha conducido a una drástica reducción en los consumos mediante el empleo de turbocompresor de geometría variable, inyección directa y el empleo de la gestión electrónica. Hoy en día se llegan a conseguir

consumos de 140-145g/CV h y rendimientos del 35%.

2. Paralelamente, se han conseguido reducción en el nivel de emisiones, pero no se ha alcanzado ni mucho menos el grado de perfeccionamiento obtenido con los consumos.

TRACCIÓN ALECTRICA:

1. Después de las pruebas iniciadas en 2007 se han logrado avances significativos en aspectos tales como una mayor capacidad para soportar el calentamiento, una mejora en la reacción ante frecuencias críticas o la reducción del ruido.

LEVITACION MAGNETICA:

Estos trenes utilizan una gran cantidad de imanes para su sustentación y propulsión. Al no tener el tren contacto físico con el raíl, el único rozamiento que aparece es el del aire, lo que hace que la velocidad alcanzada sea muy elevada. Otra ventaja es que el nivel de ruido es muy bajo.También tienen una serie de inconvenientes que han hecho que de momento sólo se utilicen como trenes de pasajeros, no pudiéndose utilizar como trenes de mercancías. Uno de estos inconvenientes es el gran consumo de energía que necesitan para mantener y controlar la polaridad de los imanes y el alto coste de las infraestructuras necesarias para su construcción, las vías y el sistema eléctrico.

En la imagen podemos ver el tren que une Shanghai con su aeropuerto. Este tren alcanza una velocidad máxima de 431 km/h y una velocidad media de 250 km/h. El trayecto que recorre es de 30 km, tardando solamente 7 minutos 20 segundos.

Existen dos tipos de trenes de levitación magnética:Trenes con suspensión electromagnética, EMS.Trenes con suspensión electrodinámica, EDS.

TAMBIEN EN LOS DIVERSOS SISTEMAS PODEMOS ENCONTRAR LA SIGUIENTE:

FERROCARRIL DE CREMALLERAS:

Se denomina ferrocarril de cremallera a un tipo particular de ferrocarriles que basa su funcionamiento en el acople mecánico con la vía por medio de un tercer riel dentado o «cremallera».

SISTEMAS DE ENGRANAJES:Existen varios tipos de sistemas de engranaje. Los más conocidos son los Marsh, Riggenbach, Strub,Abt, Locher y Lamella (también conocido como el sistema von Roll).

Se continuó utilizando la fuerza animal para el arrastre de los vagones, hasta que la escasez de caballos y sus altos costos a consecuencia de las guerras napoleónicas obligan a volver la mirada otra vez hacia las locomotoras. En 1811 John Blenkinsop patenta el sistema de cremallera para locomotora. Finalmente en 1812 Matthew Murray diseña y construye la locomotora Salamanca en los talleres Feton, Murray and Wood. La locomotora dispone por primera vez de dos cilindros y monta el sistema de cremallera patentado por John Blenkinsop, solucionando el problema de peso de la máquina. Si la locomotora era demasiado ligera no tenía suficiente adherencia, sus ruedas motrices patinaban y no conseguía arrastrar la carga. Por el contrario, si la máquina pesaba demasiado, mejoraba la adherencia pero dañaba los raíles. La Salamanca solucionaba estos inconvenientes.

APLICACIÓN:La disposición mencionada permite que sea utilizado en zonas donde haya una gran pendiente de más del 8%, en las cuales el funcionamiento por adherencia entre carriles y ruedas no sería posible debido a la escasa fricción entre aquéllas.Se emplea principalmente en trenes de montaña para turistas y también en las montañas rusas para llegar a la primera o las principales elevaciones.

SISTEMA DE TRACCIÓN

Una de las características principales del sistema de tracción del ferrocarril es el rozamiento casi nulo que ofrece la rodadura de la rueda sobre el carril. Esto permite un gran ahorro de energía, ya que con pocos kilos de esfuerzo de tracción, se pueden arrastrar toneladas de peso sea cual fuere el sistema de tracción.La imagen demuestra que con unos pocos kilogramos de esfuerzo, sea cual fuere el sistema de tracción, es posible mover varias toneladas. Ello se debe a la fina rodadura de la rueda sobre el carril, casi sin rozamiento. Si bien estas dos personas seguramente sudaron lo suyo, está claro que el esfuerzo que pueden desarrollar dos seres humanos es pequeño pero suficiente para mover un vagón de 7 ton.Igual fenómeno ocurre cuando el trazado del ferrocarril alcanza terrenos con pendiente, y se precisa un esfuerzo de tracción mucho mayor para elevar el peso que

hasta ahora solo debíamos arrastrar. Aumentando el esfuerzo de tracción se verá reducida la adherencia de la locomotora, por lo que el gradiente también se verá muy limitado.Sistema de traccion a vaporHacia el fin del siglo xviii , la máquina de vapor había llegado a ser un factor real y positivo en la industria, y se habían hecho distintas tentativas para aplicarla a los vehículos de carretera. El mérito de llevar a cabo la construcción de la primera locomotora que marchó sobre carriles corresponde al ingeniero de minas inglés richard trevithick, quien el 24 de febrero de 1804 logró adaptar el sistema de tracción a la máquina de vapor, que se utilizaba desde principios del siglo xviii para bombear agua, para que tirara una máquina locomovible que hizo circular a una velocidad de 8 km/hSistema de tracción a vaporLa locomotora de trevithickLa caldera era de hierro colado con horno interior, y los productos de la combustión pasaban a una chimenea situada en el mismo extremo que la boca del horno. La máquina de vapor, es decir, el cilindro con el pistón, estaba dispuesta verticalmente, y las barras conector se hallan representadas en la figura por la d, que hace de biela, y la l, conectada con el eje motor.El vapor, después de haber operado, escapaba por la chimenea para aumentar el tiro, y en este sistema se dependía de la fricción de las ruedas motrices sobre los carriles para asegurar suficiente poder de tracción. La presión del vapor era de 40 libras por pulgada cuadrada; de forma que en rigor era una máquina de alta presión. La válvula de seguridad, e, impedía una presión excesiva en la caldera. Esta locomotora funcionó bien; pero sus resultados económicos no fueron satisfactorios.La siguiente tentativa fructuosa para obtener una locomotora a vapor fue hecha por blenkinsop en 1812.La máquina de blenkinsop fue seguida, en 1813, por otra denominada "puffing billy"Locomotora "puffing billy" , construida en 1813 por william hedley, fue utilizada en las minas para arrastrar vagones de carga con objeto de ahorrar trabajo de caballosTodas estas locomotoras fueron ideadas para arrastrar vagones de carbón a poca velocidad, utilizando sistema de traccion a vapor. Desde las minas de propiedad particular, y durante mucho tiempo, después de haberse utilizado con éxito reconocido, en esa clase de trabajo, continuaron los vagones destinados a pasajeros siendo arrastrados por la fuerza de traccion a vapor, y solamente a fuerza de persistencia consiguió stephenson que se le permitiera construir tres locomotoras para el nuevo ferrocarril de stockton y darlington, del cual fue nombrado ingeniero-jefe en 1823, y que fue construido con el propósito de utilizar caballos como medio de tracción.La primera vía férrea pública del mundo, la línea stockton-darlington, en el noreste de inglaterra, dirigida por george stephenson, se inauguró en 1825. Durante algunos años esta transportó carga; en ocasiones también utilizaba caballos como fuerza de

tiraje. La primera vía férrea pública para el transporte de pasajeros y de carga que funcionaba exclusivamente con locomotoras de traccion a vapor fue la de Liverpool - manchester, inaugurada en 1830.Sistema de tracción eléctricaLa tracción eléctrica en los ferrocarriles es muy antigua: data de principios del siglo xx y su esquema básico se ha mantenido inalterado desde entonces.Originalmente todos los sistemas de alimentación eléctrica de tracción fueron de corriente continua, básicamente con el objeto de alimentar en forma directa los motores de tracción de los trenes, también de corriente continua, capaces de desarrollar velocidades variables y grandes torques iniciales.Posteriormente, con el desarrollo de rectificadores simples y de menor costo, se generalizó la alimentación en corriente alterna a voltajes más elevados, la cual es rectificada en la locomotora para alimentar los motores de tracción en corriente continua.El desarrollo posterior de motores de tracción de corriente alterna con características de velocidad variable y alto torque inicial no ha cambiado este esquema.Circuito de tracciónEl circuito de tracción esta compuesto por una fuente de energía, la subestación eléctrica; una línea de contacto, catenaria o barra de alimentación; el vehículo ferroviario que consume la energía, y un conductor de retorno que cierra el circuito, normalmente los rieles. Contrariamente a lo habitual en los circuitos eléctricos, este circuito se deforma, ya que su longitud varía según el desplazamiento del tren. Según la naturaleza del sistema ferroviario, este circuito puede ser muy largo: 10, 20, 30, 40 y hasta 50 km.Sistemas de tracción en los trenesMotores de corriente continúaLos motores de corriente continua tienen un estator recorrido por corriente continua y un rotor también recorrido por corriente continua, a través del colector.En los equipos clásicos, el control de la tensión de alimentación de los motores se efectúa mediante el uso de resistencias y distintas combinaciones de motores (serie-paralelo). Con la aparición de los tiristores se desarrolló el "chopper" que es básicamente un convertidor continua-continua que permite un muy preciso control de la tensión de alimentación de los motores.Los motores de corriente continua son simples y confiables; tienen un alto torque inicial y son de fácil control. Por otra parte, requieren de mantenimiento, en especial en los colectores, y son pesados y voluminosos.Sistema de traccion levitación magnéticaPor lo años 1960, en japón se empezó a desarrollar un tren que lograba altas velocidades con poca pérdida de energía debido a que no hacía contacto con los rieles. Así se inició la era de los trenes de levitación magnética (maglev).Los primeros trenes de este tipo se movían a velocidades de 270 km/h. Ya para 1994 otros países habían logrado desarrollar sus propios ferrocarriles maglev, entre ellos

estados unidos, Francia Alemania, Italia y España. En estos momentos su velocidad ha superado los 300 kilómetros por hora.Este tipo de transporte terrestre se ha estado perfeccionando con miras a que sea el transporte del futuro, ya que no presenta problemas de contaminación, alcanza velocidades competitivas con el transporte aéreo, y no genera pérdidas de energía por rozamiento. Su mantenimiento es relativamente cómodo.A finales del siglo xx los trenes de levitación magnética son los que marcan el camino del desarrollo ferroviario. Este modelo sigue evolucionando y ha generado la puesta en servicio de un tren controlado automáticamente. Las computadoras que controlan este servicio pueden corregir el horario de un tren o modificar la ruta de alguno que venga fuera de su plan original. En 1989 se puso en funcionamiento el metro de Lille, en Francia, gracias a esta renovada tecnología.¿qué es levitación magnética?La levitación magnética se presenta cuando se enfrentan dos campos magnéticos de polaridades iguales, pero está presenta una tercera fuerza que es la gravitacional.Si se enfrenta un imán con su polaridad norte encima de otro imán de polaridad norte también, los dos imanes se repelen entre sí, pero al estar uno encima de otro, el que se encuentra arriba experimenta la fuerza gravitacional hacia abajo y la fuerza magnética hacia arriba.Estas dos fuerzas actuando sobre el mismo cuerpo provocan un equilibrio y el imán no cae pero tampoco sube por la fuerza magnética. El imán se verá como suspendido, esto suspensión se denomina levitación. El término magnético se origina por la presencia de los campos magnéticos del imán.

TIPOS Y DESARROLLO DE LOS MEDIOS DE TRACCIÓN

En este apartado veremos los diferentes tipos de tracción que se emplean en el ferrocarril y sus características principales, sin entrar en detalles profundos.En el ferrocarril, existen cuatro tipos principales de tracción (en cada grupo, puede, y de hecho hay, subgrupos): vapor, diesel, eléctrica, dual (diesel combinada con eléctrica).1) VAPOR: en este tipo de tracción, los vehículos se mueven impulsados por la fuerza del vapor de agua a presión. En este tipo de vehículos, podemos encontrar los siguientes elementos característicos básicos (que serán debidamente señalados en una imagen en entradas posteriores explicativas para cada apartado): ténder, caldera, domo, caja de fuego, caja de humos, cilindros.Dentro de este tipo de tracción, nos encontramos dos subgrupos, que evidentemente, comparten los elementos antes descritos:VAPOR CARBÓN: el combustible empleado para calentar el agua y producir el vapor de agua, es el carbón.VAPOR FUELIZADAS: son vehículos de tracción vapor carbón cuyo mecanismo de producción de vapor ha sido adaptado para emplear fuel en lugar de carbón, ya que

es más barato que este.2) DIESEL: en este tipo de vehículos, el elemento fundamental es el motor diesel. Generalmente este posee un sistema de turbo-compresor o turbo-inyección que aumenta la potencia del motor y suele tratarse de motores sobre alimentados. Dentro de este tipo de tracción, nos encontramos con los siguientes sub-apartados:DIESEL-MECÁNICA: en este tipo de vehículos, el trabajo del motor diesel se transmite a los ejes del mismo modo que en un coche o camión. El trabajo del motor se transmite al eje motor a través de una reducción, una caja de cambios y una transmisión mecánica.

DIESEL-HIDRÁULICA: el trabajo del motor en estos vehículos, se transmite a través de un sistema especial, que se denomina transmisión hidráulica (generalmente de la casa Voith, por lo que es común oir hablar de los convertidores Voith, o Voith-Turbo). El trabajo del motor se transmite a un convertidor de tracción, que no es otra cosa que dos turbinas enfrentadas e inmersas en una sustancia oleaginosa, que es la que transmite el movimiento al eje/s motor/es.

DIESEL-ELÉCTRICA: en este tipo de tracción, la potencia del motor se transmite de forma indirecta al/los eje/s motor/es. El motor diesel acciona un generador eléctrico. Este generador, es el encargado de alimentar eléctricamente los motores de tracción (que son los que mueven los ejes). La tensión (V, voltios) que suministra el generador es constante, mientras que la intensidad (A, amperios) depende del régimen de vueltas del motor diesel. A mayores revoluciones, mayor intensidad, y mayor velocidad de los motores de tracción.

3) ELÉCTRICA: en este caso, el vehículo toma corriente eléctrica (en el caso de este país) de un tendido eléctrico, que se denomina catenaria (más adelante veremos como se denomina cada parte que la conforma), por su similitud con la figura matemática. Esta corriente, pasa a través de un interruptor general (llamado disyuntor extra-rápido o extra-rápido sin más en argot), a los equipos encargados de controlar y gobernar la tracción del vehículo. Dentro de este tipo de vehículos existen varios tipos de ellos, según la naturaleza de la corriente, pero no entraremos en más detalles por ahora.4) DUAL: este es un caso especial en el que se combinan las tracciones eléctrica y diesel-eléctrica. Por ello estos vehículos pueden ser denominados de tipo eléctrico/diesel-eléctrico. Actualmente solo existen en España, de este tipo de tracción, dos representantes, la serie 1900 de locomotoras del parque de FEVE, y la serie 601 (UIC) de la empresa privada española FESUR.

5) HÍBRIDA: Otros fabricantes reservan el término "tracción híbrida" para los vehículos de tracción eléctrica (o menos frecuentemente diesel eléctrica) que cuentan con un sistema de almacenamiento de energía eléctrica (por ejemplo mediante baterías o

ultra-condensadores). Especialmente para tranvías modernos se está desarrollando con fuerza a partir de los años 2000 este tipo de tracción que permite salvar tramos cortos sin catenaria. 

COMPARACIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA OPERACIÓN

En el presente artículo se comparan la tracción diesel y la tracción eléctrica. En el ferrocarril moderno desde el punto de vista del consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero. 

En el pasado, los criterios para tomar decisiones, como la de electrificar líneas, se apoyaban en prioridades económicas (básicamente comparando las inversiones con los diferenciales de costes de explotación) y las consideraciones ambientales se limitaban a la comparación de la cantidad de energía primaria empleada. En la actualidad hay que atender a otros criterios, como son las emisiones de gases de efecto invernadero o la contribución al agotamiento de los combustibles fósiles.