Capítulo 1

# ¿Cómo funciona el transporte?

## ¿Cómo funciona un automóvil?

El automóvil, esa máquina que nos permite desplazarnos con libertad, funciona gracias a la transformación de energía. En su corazón reside el motor, que es el encargado de generar la potencia necesaria para mover las ruedas. La mayoría de los automóviles modernos utilizan un motor de combustión interna, el cual quema un combustible (generalmente gasolina o diésel) para producir calor y, posteriormente, movimiento. Este proceso se lleva a cabo en cilindros donde una mezcla de aire y combustible es encendida por una chispa (en los motores de gasolina) o por la alta presión (en los motores diésel).

La explosión controlada dentro de los cilindros empuja un pistón hacia abajo. Este movimiento lineal del pistón se convierte en un movimiento rotatorio gracias a un conjunto de componentes mecánicos: la biela, el cigüeñal y la volante. La biela conecta el pistón con el cigüeñal, que es un eje con codos. Al subir y bajar los pistones, las bielas hacen girar el cigüeñal. Este movimiento giratorio es la fuerza bruta que, eventualmente, llegará a las ruedas.

Para que este proceso sea eficiente y continuo, el motor opera en un ciclo de cuatro tiempos: admisión, compresión, explosión (o combustión) y escape.

* Admisión: Se abre una válvula y la mezcla de aire y combustible entra al cilindro.

* Compresión: Se cierran las válvulas y el pistón sube, comprimiendo la mezcla.

* Explosión: Una chispa enciende la mezcla comprimida, generando una explosión que empuja el pistón hacia abajo con gran fuerza.

* Escape: Se abre otra válvula y el pistón sube de nuevo, expulsando los gases quemados fuera del cilindro.

Este ciclo se repite miles de veces por minuto en cada cilindro del motor, generando una potencia continua. La fuerza generada por el cigüeñal se transmite a través de la transmisión (caja de cambios), que permite al conductor variar la relación de marchas para adaptar la velocidad y la fuerza del motor a las condiciones de la carretera. Una vez que la potencia ha sido ajustada por la transmisión, se envía al eje de transmisión y, finalmente, a las ruedas motrices, haciendo que el automóvil avance.

Además del motor y la transmisión, un automóvil cuenta con otros sistemas cruciales para su funcionamiento seguro y eficiente. El sistema de frenos utiliza la fricción para reducir la velocidad o detener el vehículo, mientras que la dirección permite al conductor controlar la trayectoria. El sistema de suspensión absorbe las irregularidades del terreno para un viaje más cómodo y estable, y el sistema eléctrico alimenta componentes como las luces, la radio y el sistema de ignición. La combinación armoniosa de todos estos elementos es lo que hace posible el viaje en automóvil.

## ¿Cómo funciona un coche eléctrico?

Los coches eléctricos representan una evolución fascinante en el mundo del transporte, transformando la forma en que nos desplazamos al prescindir del motor de combustión interna. En lugar de quemar combustible, estos vehículos funcionan gracias a la energía eléctrica almacenada en una batería recargable. Esta batería es el corazón del coche eléctrico, proporcionando la potencia necesaria para moverlo. Cuando conectamos el coche a un punto de carga, la electricidad fluye desde la red hasta la batería, recargándola para su próximo viaje.

El componente clave que convierte esa energía eléctrica en movimiento es el motor eléctrico. A diferencia de los motores de gasolina, que son ruidosos y generan emisiones, los motores eléctricos son más silenciosos, eficientes y no producen gases de escape directos. El principio básico detrás de su funcionamiento se basa en la interacción entre campos magnéticos. La electricidad de la batería crea un campo magnético que interactúa con otro campo magnético dentro del motor, generando una fuerza rotatoria.

Esta fuerza rotatoria se transmite, a través de un sistema de transmisión (a menudo más simple que en un coche convencional, ya que los motores eléctricos ofrecen un par motor instantáneo y amplio rango de revoluciones), a las ruedas. A medida que el motor gira, las ruedas giran, y el coche se desplaza. La gestión de esta energía es crucial. Los sistemas de control avanzados regulan el flujo de electricidad desde la batería al motor, ajustando la potencia según la demanda del conductor (aceleración, velocidad constante, etc.).

Una característica distintiva de muchos coches eléctricos es el frenado regenerativo. Cuando el conductor levanta el pie del acelerador o pisa el freno, el motor eléctrico invierte su función. En lugar de consumir energía para mover el coche, actúa como un generador. La energía cinética del vehículo en movimiento se convierte en energía eléctrica, que se devuelve a la batería para recargarla. Este proceso no solo aumenta la eficiencia, sino que también ayuda a reducir el desgaste de los frenos tradicionales.

La cantidad de energía que una batería puede almacenar se mide en kilovatio-hora (kWh). Una batería con mayor capacidad en kWh puede proporcionar una mayor autonomía al vehículo, permitiendo recorrer distancias más largas con una sola carga. La potencia de salida del motor eléctrico, medida en kilovatios (kW) o caballos de fuerza (HP), determina la capacidad de aceleración y la velocidad máxima del coche. La relación entre la energía almacenada y la potencia consumida es un factor fundamental para la autonomía y el rendimiento general de un vehículo eléctrico.

## ¿Cómo funciona un avión?

Los aviones son maravillas de la ingeniería que nos permiten viajar por el cielo a velocidades increíbles. Su funcionamiento se basa en principios fundamentales de la física, principalmente en la aerodinámica y la forma en que se generan las fuerzas necesarias para el vuelo. A diferencia de los vehículos terrestres, que se mueven impulsados por la fricción con el suelo, un avión debe crear fuerzas que lo eleven y lo impulsen hacia adelante, desafiando la gravedad y la resistencia del aire.

La clave para que un avión vuele reside en el diseño de sus alas. Las alas tienen una forma especial, conocida como perfil alar, que es curva en la parte superior y más plana en la inferior. Cuando el avión se mueve hacia adelante, el aire fluye alrededor de las alas. Debido a la curvatura superior, el aire que viaja por encima del ala debe recorrer una distancia mayor en el mismo tiempo que el aire que fluye por debajo. Esto provoca que el aire superior se mueva más rápido que el aire inferior.

Esta diferencia de velocidad del aire genera una diferencia de presión, un fenómeno explicado por el Principio de Bernoulli. Según este principio, donde el aire se mueve más rápido, la presión es menor. Por lo tanto, la presión en la parte superior del ala es menor que la presión en la parte inferior. La diferencia de presión crea una fuerza ascendente neta llamada sustentación, que es lo que levanta el avión del suelo.

$P_{inferior} > P_{superior}$
$\text{Sustentación} = (\text{Presión inferior} - \text{Presión superior}) \times \text{Área del ala}$

Para que el aire fluya sobre las alas y se genere sustentación, el avión necesita moverse hacia adelante a una velocidad considerable. Esta fuerza de avance se conoce como empuje y es producida por los motores. Los aviones modernos utilizan principalmente motores a reacción (turbofán o turborreactores) que aspiran aire, lo comprimen, lo mezclan con combustible y lo encienden en una cámara de combustión. La explosión resultante genera gases calientes que son expulsados a alta velocidad por la parte trasera del motor, creando una fuerza opuesta que impulsa al avión hacia adelante, según la Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción).

$F_{empuje} = \dot{m}_{aire} (v_{salida} - v_{entrada})$

Donde $\dot{m}_{aire}$ es la masa de aire expulsada por unidad de tiempo, $v_{salida}$ es la velocidad de los gases de escape y $v_{entrada}$ es la velocidad del aire que entra al motor.

Además de la sustentación y el empuje, existen otras dos fuerzas importantes que actúan sobre un avión: el peso y la resistencia. El peso es la fuerza de gravedad que tira del avión hacia abajo, y debe ser contrarrestado por la sustentación para que el avión pueda volar. La resistencia es la fuerza del aire que se opone al movimiento del avión hacia adelante, y debe ser superada por el empuje. El vuelo estable y controlado se logra cuando estas cuatro fuerzas están en equilibrio.

$\text{Sustentación} = \text{Peso}$
$\text{Empuje} = \text{Resistencia}$

El piloto controla la dirección y altitud del avión mediante las superficies de control: los alerones (en las alas, para inclinarse), el timón de profundidad (en la cola, para subir o bajar el morro) y el timón de dirección (en la cola, para girar a izquierda o derecha). Estas superficies modifican el flujo de aire alrededor del avión, alterando las fuerzas y permitiendo maniobras precisas en el aire.

## ¿Cómo funciona un helicóptero?

Un helicóptero es una máquina voladora fascinante que desafía la gravedad de una manera única. A diferencia de los aviones, que necesitan una pista para generar sustentación, los helicópteros pueden despegar y aterrizar verticalmente, mantenerse en un punto fijo en el aire (hovering) e incluso volar hacia atrás. Su secreto reside en sus rotores principales, que son grandes hélices giratorias ubicadas en la parte superior del fuselaje. Estas palas, al girar a gran velocidad, desplazan una gran cantidad de aire hacia abajo.

El principio fundamental detrás de la sustentación de un helicóptero es la tercera ley de Newton: por cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Al empujar el aire hacia abajo con sus palas, el rotor genera una fuerza ascendente que contrarresta el peso del helicóptero. La cantidad de sustentación generada está directamente relacionada con la velocidad de rotación de las palas y su ángulo de ataque (la inclinación de las palas con respecto al aire). Un mayor ángulo de ataque, hasta cierto punto, produce más sustentación, pero también aumenta la resistencia aerodinámica.

El control del helicóptero se logra mediante la manipulación de las palas del rotor principal y un rotor más pequeño ubicado en la cola. El ciclo colectivo permite variar el ángulo de ataque de todas las palas simultáneamente, lo que permite al piloto ascender o descender. Por otro lado, el ciclo cíclico ajusta el ángulo de ataque de cada pala individualmente a medida que gira, creando un momento de cabeceo, balanceo o guiñada, permitiendo al helicóptero moverse en cualquier dirección. La fórmula simplificada para la sustentación ($L$) debida a un rotor podría considerarse relacionada con la densidad del aire ($\rho$), el área barrida por las palas ($A$), y la velocidad del aire relativa a las palas ($v$), aunque en la práctica es mucho más compleja e involucra la velocidad angular y el ángulo de ataque.

$L \approx \frac{1}{2} \rho v^2 A$

El rotor de cola tiene una función crucial: contrarrestar el par de torsión que el rotor principal intenta imponer al fuselaje. Al girar, el rotor principal tiende a hacer que el cuerpo del helicóptero gire en la dirección opuesta. El rotor de cola genera un empuje lateral que iguala este par, manteniendo al helicóptero estable. El piloto controla la velocidad de rotación del rotor de cola, y por lo tanto su empuje, utilizando los pedales, lo que le permite girar el helicóptero sobre su propio eje o contrarrestar las fuerzas externas.

La combinación de estos sistemas permite una maniobrabilidad excepcional. El piloto puede ajustar con precisión el empuje del rotor principal y la dirección de la fuerza aerodinámica generada por el ciclo cíclico para lograr movimientos controlados. Imagina las palas del rotor principal como pequeñas alas que se mueven y se inclinan de manera coordinada. Al modificar el ángulo de estas "alas", se puede dirigir la fuerza resultante, permitiendo al helicóptero avanzar, retroceder o desplazarse lateralmente.

## ¿Cómo funciona un tren?

Un tren es una maravilla de la ingeniería que combina potencia, precisión y la magia de la física para mover grandes cargas y multitudes de personas a través de vastas distancias. Su funcionamiento se basa en principios fundamentales que han evolucionado a lo largo de los siglos, desde las primeras locomotoras de vapor hasta los modernos trenes eléctricos y de alta velocidad. En su esencia, un tren es un vehículo compuesto por una serie de vagones unidos que se desplazan sobre rieles. La fuerza motriz principal proviene de una locomotora, que puede ser de distintos tipos, cada uno con su propio método para generar movimiento.

Tradicionalmente, las locomotoras de vapor utilizaban la energía generada al quemar carbón u otro combustible para calentar agua en una caldera. El vapor resultante se expandía y empujaba pistones conectados a las ruedas, haciendo girar el tren. Esta transformación de energía térmica en energía mecánica es un ejemplo clásico de la primera ley de la termodinámica, donde la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma. La eficiencia de estos sistemas, aunque histórica, estaba limitada por la cantidad de calor que se perdía en el proceso. La ecuación fundamental que describe la relación entre el calor ($Q$) y el trabajo ($W$) realizado, junto con el cambio en la energía interna ($\Delta U$) de un sistema, es:

$\Delta U = Q - W$

En la actualidad, los trenes eléctricos son los más comunes, especialmente en redes urbanas y de alta velocidad. Estos utilizan motores eléctricos que toman energía de una fuente externa, como catenarias aéreas (cables por encima de las vías) o un tercer riel electrificado. La electricidad alimenta al motor, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica rotacional. El principio de funcionamiento de un motor eléctrico se basa en la interacción entre campos magnéticos y corrientes eléctricas, descrito por la ley de Lorentz, que establece que una fuerza ($F$) actúa sobre una carga ($q$) que se mueve con velocidad ($v$) en un campo magnético ($B$):

$\vec{F} = q(\vec{E} + \vec{v} \times \vec{B})$

En un motor, esta fuerza se aplica a bobinas conductoras, generando el par necesario para hacer girar el eje.

Independientemente del tipo de locomotora, la adherencia entre las ruedas del tren y los rieles es crucial. La fricción, o coeficiente de adherencia ($\mu$), determina cuánta fuerza puede transmitir la locomotora a las ruedas antes de que estas patinen. La fuerza máxima de tracción ($F_{tracción}$) que un tren puede ejercer sin patinar está dada por:

$F_{tracción} \le \mu N$

donde $N$ es la fuerza normal (el peso del tren apoyado sobre las ruedas). Los rieles están diseñados para mantener un contacto constante y predecible con las ruedas, permitiendo que el tren se mueva de manera segura y eficiente. Los sistemas de frenado, que pueden ser mecánicos, eléctricos o de aire, utilizan principios de fricción y fuerzas opuestas para desacelerar y detener el tren, disipando la energía cinética en forma de calor.

El movimiento de un tren también está influenciado por fuerzas externas como la resistencia del aire y la fricción de rodadura. La resistencia del aire aumenta significativamente con la velocidad, siguiendo una relación aproximadamente cuadrática. La resistencia de rodadura, por su parte, es más lineal e involucra la deformación de las ruedas y los rieles. Para mover el tren, la fuerza de tracción generada por la locomotora debe superar la suma de estas resistencias y la fuerza necesaria para la aceleración, si es que esta ocurre. La segunda ley de Newton, que relaciona la fuerza neta ($F_{neta}$), la masa ($m$) y la aceleración ($a$), es fundamental:

$F_{neta} = ma$

Entender estas fuerzas y cómo se contrarrestan es esencial para diseñar trenes eficientes y seguros, capaces de transportar pasajeros y mercancías de manera confiable a través de nuestro mundo interconectado.

## ¿Cómo funciona un submarino?

Imagina un submarino como un vehículo diseñado para navegar tanto en la superficie del agua como bajo ella. Su secreto principal radica en su capacidad para controlar su flotabilidad, es decir, su tendencia a flotar o hundirse. Para lograr esto, los submarinos están equipados con grandes tanques de lastre, ubicados en los laterales del casco. Cuando estos tanques se llenan de agua, el submarino se vuelve más denso que el agua circundante y comienza a hundirse. Por el contrario, si el aire se bombea a los tanques, el agua es expulsada, el submarino se vuelve menos denso y asciende.

La clave para controlar la profundidad se basa en un principio fundamental de la física: el Principio de Arquímedes. Este principio establece que un objeto sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desplazado. Para que un submarino flote, el peso total del submarino debe ser menor que el peso del agua que desplaza. Para que se hunda, su peso debe ser mayor que el peso del agua desplazada. Los tanques de lastre permiten ajustar precisamente el peso total del submarino para controlar esta relación.

$\text{Empuje (F}_B) = \rho_{\text{fluido}} \cdot V_{\text{sumergido}} \cdot g$

Donde $\rho_{\text{fluido}}$ es la densidad del fluido (agua), $V_{\text{sumergido}}$ es el volumen del objeto sumergido y $g$ es la aceleración debido a la gravedad. El submarino puede variar su $V_{\text{sumergido}}$ efectivo llenando o vaciando sus tanques de lastre. Cuando los tanques están llenos de agua, el volumen total sumergido aumenta, incrementando el empuje. Sin embargo, el peso del submarino, que incluye el agua en los tanques, también aumenta. El equilibrio entre el peso y el empuje determina si el submarino asciende, desciende o se mantiene a una profundidad constante.

Una vez bajo el agua, la propulsión del submarino se logra mediante hélices, similares a las de los barcos de superficie, que son impulsadas por motores. Estos motores pueden ser diésel (que requieren aire y, por lo tanto, solo funcionan en superficie o con snorkel) o eléctricos (que pueden funcionar bajo el agua utilizando energía almacenada en baterías). Para la dirección, se utilizan timones, tanto en la parte trasera para cambiar el rumbo horizontal, como en la parte superior (alas de gaviota) y a veces en la parte frontal, para controlar el cabeceo (inclinación hacia arriba o hacia abajo) y mantener la estabilidad. La presión del agua es un factor crucial a considerar, por lo que el casco de un submarino está diseñado para ser extremadamente resistente.

La maniobra de inmersión y emersión es un proceso controlado y secuencial. Primero, se abren las válvulas de los tanques de lastre para permitir la entrada de agua. A medida que los tanques se llenan, el submarino comienza a descender lentamente. Para mantener una profundidad específica, se utilizan pequeños tanques llamados tanques de inmersión y flotación, que se llenan o vacían con aire comprimido para realizar ajustes finos. El ascenso se inicia inyectando aire comprimido en los tanques de lastre principales, expulsando el agua y reduciendo la densidad del submarino hasta que el empuje sea mayor que su peso.