Capítulo 2

# ¿Cómo funciona el transporte?

## ¿Cómo funciona un barco?

Los barcos, esos gigantes que surcan los mares, se mantienen a flote y se mueven gracias a principios físicos fascinantes, siendo el más importante el principio de Arquímedes. Este principio, enunciado por el sabio griego Arquímedes, establece que todo cuerpo sumergido en un fluido (en este caso, agua) experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de fluido que desaloja.

$E = \rho \cdot V \cdot g$

Donde $E$ es la fuerza de empuje, $\rho$ (rho) es la densidad del fluido (agua), $V$ es el volumen del fluido desplazado por el barco, y $g$ es la aceleración de la gravedad. Para que un barco flote, la fuerza de empuje ($E$) debe ser igual o mayor que el peso total del barco. Dado que los barcos están hechos de materiales densos como el acero, su peso individual es considerable, pero su diseño con grandes espacios vacíos y su forma de casco permiten desplazar un volumen de agua lo suficientemente grande como para generar un empuje que contrarreste su peso, permitiendo así la flotación.

La densidad juega un papel crucial en este proceso. Aunque el acero es más denso que el agua, la densidad promedio del barco completo (incluyendo el aire en su interior) es menor que la del agua. Imagina una taza de metal y una taza hecha del mismo metal pero hueca; la hueca flota, la maciza se hunde. Esto se debe a que la forma del casco maximiza el volumen de agua desplazada para una masa dada, reduciendo la densidad promedio. Cuando un barco está cargado, se hunde un poco más, desplazando más agua y aumentando la fuerza de empuje para mantener el equilibrio.

El movimiento de un barco se logra mediante diferentes sistemas de propulsión. Históricamente, se usaron velas, aprovechando la fuerza del viento. En la actualidad, la mayoría de los barcos modernos utilizan hélices impulsadas por motores, ya sean de combustión interna (diésel) o, en buques más grandes, turbinas. Estas hélices giran y empujan el agua hacia atrás, lo que, por la tercera ley de Newton (acción y reacción), impulsa al barco hacia adelante.

$\vec{F}_{\text{acción}} = -\vec{F}_{\text{reacción}}$

La fuerza de propulsión debe superar la resistencia del agua y del aire para que el barco avance.

Para dirigir un barco, se utilizan los timones, unas aletas móviles situadas en la popa (parte trasera) del casco. Al girar el timón, se desvía el flujo de agua que pasa por él, generando una fuerza lateral que hace girar el barco. La maniobrabilidad de un barco depende de su tamaño, forma del casco y la eficiencia del timón. Además de los timones, algunos barcos grandes emplean propulsores laterales (thrusters) para facilitar las maniobras en puertos y espacios reducidos, permitiendo movimientos laterales o giros sobre su propio eje.

## ¿Cómo funciona un cohete?

Un cohete es un vehículo que se desplaza gracias a la tercera ley de Newton, también conocida como la ley de acción y reacción. Esta ley establece que por cada acción, hay una reacción igual y opuesta. En el caso de un cohete, la acción es la expulsión violenta de gases a alta velocidad por la parte trasera. La reacción a esta expulsión es una fuerza que empuja al cohete hacia adelante, impulsándolo a través de la atmósfera y, eventualmente, hacia el espacio.

El corazón del sistema de propulsión de un cohete es el motor. Dentro de este motor, se mezclan y queman combustible (como hidrógeno o queroseno) y oxidante (como oxígeno líquido). Esta combustión genera una gran cantidad de gases a muy alta temperatura y presión. Estos gases son luego forzados a salir por una tobera, un conducto con forma especial que acelera aún más su velocidad. Imagina apretar una manguera de agua: cuanto más aprietas, más rápido sale el agua. Con el cohete ocurre algo similar, pero con gases extremadamente calientes.

La cantidad de empuje que genera un cohete está directamente relacionada con la masa de los gases expulsados y la velocidad a la que son expulsados. Matemáticamente, el empuje ($F$) se puede expresar de forma simplificada como:

$F = \dot{m} v_e$

Donde $\dot{m}$ representa la tasa de flujo másico de los gases de escape (cuánta masa de gas sale por segundo) y $v_e$ es la velocidad de escape de esos gases. Para lograr un gran empuje, los ingenieros buscan maximizar tanto la cantidad de combustible quemado por segundo como la velocidad a la que se expulsan los productos de la combustión.

Además del motor, un cohete está compuesto por varias partes esenciales. El tanque de combustible y el tanque de oxidante almacenan los propulsores. La estructura del cohete debe ser ligera pero resistente para soportar las fuerzas extremas del lanzamiento. Finalmente, la carga útil, que puede ser un satélite, una sonda espacial o incluso astronautas, se encuentra en la parte superior del cohete y es lo que se desea transportar a su destino. A medida que el cohete consume su combustible, su masa disminuye, lo que le permite alcanzar velocidades aún mayores con el mismo empuje.

## ¿Cómo funciona un dron?

Los drones, también conocidos como Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs), han revolucionado la forma en que entendemos el transporte y la logística. Su funcionamiento se basa en una combinación de tecnologías avanzadas que les permiten volar, navegar y realizar tareas de forma autónoma o controlada remotamente. En su núcleo, un dron es esencialmente un avión o helicóptero sin piloto a bordo, impulsado por motores eléctricos y controlado por un sistema informático.

El despegue y la sustentación de la mayoría de los drones se logran gracias a la acción de sus hélices, dispuestas de manera específica en la parte superior del fuselaje. Estas hélices, al girar a alta velocidad, generan una corriente de aire descendente. Según el tercer principio de Newton, la acción de empujar el aire hacia abajo genera una reacción igual y opuesta, que es la fuerza de sustentación que eleva al dron.

$F_{sustentación} = \frac{1}{2} \rho v^2 A C_L$

Donde:

* $\rho$ (rho) es la densidad del aire.

* $v$ es la velocidad del aire sobre la hélice.

* $A$ es el área del disco de la hélice.

* $C_L$ es el coeficiente de sustentación, que depende del diseño de la hélice y el ángulo de ataque.

Para controlar el movimiento del dron en el aire, se ajusta la velocidad de rotación de cada hélice de forma individual. Por ejemplo, para ascender, todas las hélices aumentan su velocidad. Para girar sobre su propio eje, se modifican las velocidades de hélices opuestas. La inclinación del dron, esencial para avanzar, retroceder o moverse lateralmente, se consigue disminuyendo la velocidad de las hélices de un lado y aumentándola en el otro, generando un empuje desigual que inclina el dron en la dirección deseada.

La navegación y la estabilidad del dron son posibles gracias a un conjunto de sensores y a su unidad de control de vuelo. Los giroscopios y acelerómetros detectan la orientación y los movimientos del dron, mientras que un barómetro mide la altitud. Los sistemas de posicionamiento global (GPS) permiten determinar su ubicación exacta en la Tierra. Toda esta información es procesada por un procesador central que, mediante algoritmos complejos, ajusta constantemente la velocidad de las hélices para mantener el dron en su trayectoria y altitud deseadas, incluso en presencia de vientos o perturbaciones.

$\text{Vector de Posición} = (x, y, z)$
$\text{Vector de Orientación} = (\phi, \theta, \psi)$

Estas son las coordenadas cartesianas y los ángulos de Euler que definen la pose del dron en el espacio. El sistema de control busca minimizar los errores entre la posición y orientación deseadas y las medidas actuales, ajustando las fuerzas de las hélices para corregir cualquier desviación.

## ¿Cómo funciona un ascensor?

Imagina una caja que se mueve verticalmente dentro de un edificio. Eso es, en esencia, un ascensor. Su funcionamiento se basa en un ingenioso sistema que combina principio de poleas y sistemas de contrapeso para movernos de un piso a otro de forma segura y eficiente. En su núcleo, encontramos una cabina (la caja que vemos) conectada a través de cables de acero muy resistentes a un sistema de tracción. Este sistema, a menudo una gran rueda con ranuras, es impulsado por un motor eléctrico. Al girar la rueda, los cables se deslizan por ella, haciendo que la cabina suba o baje.

La magia del contrapeso es fundamental para entender cómo se ahorra energía. Detrás de la cabina, cuelga un peso (el contrapeso) que tiene aproximadamente el mismo peso que la cabina cuando está vacía o con una carga media. Esto significa que el motor no tiene que levantar todo el peso de la cabina desde cero cada vez. En su lugar, solo necesita superar la diferencia de peso entre la cabina y el contrapeso, más la fricción. Matemáticamente, la fuerza que el motor debe ejercer es considerablemente menor gracias a este sistema. Si la cabina está vacía, el contrapeso es más pesado, ayudando a subirla. Si la cabina está muy cargada, la diferencia es menor y el motor trabaja más, pero aún así, el contrapeso asiste.

Además de la polea y el contrapeso, la seguridad es primordial. Los ascensores modernos están equipados con múltiples sistemas de seguridad. Los cables de acero están diseñados para soportar cargas mucho mayores que las que jamás experimentarán, y suele haber varios cables trabajando en paralelo para redundancia. Si por alguna razón los cables fallaran (algo extremadamente raro), un sistema de frenado de emergencia se activaría. Este sistema, a menudo accionado por cuñas o rodillos, se engancha a unas guías metálicas verticales que recorren el hueco del ascensor, deteniendo la cabina de forma segura.

$F_{motor} = F_{cabina} - F_{contrapeso} + F_{fricción}$

Donde $F_{motor}$ es la fuerza que aplica el motor, $F_{cabina}$ es el peso de la cabina y su carga, y $F_{contrapeso}$ es el peso del contrapeso.

Para controlar el movimiento, un panel de control en el interior de la cabina y en cada piso permite seleccionar la planta deseada. Al presionar un botón, se envía una señal a la sala de máquinas, donde un ordenador determina la dirección y la velocidad del motor. Sensores de posición y un complejo algoritmo aseguran que el ascensor se detenga con precisión en cada piso. La velocidad de los ascensores varía, pero los más rápidos pueden alcanzar varios metros por segundo, facilitando el desplazamiento vertical en edificios de gran altura.