La Neumática: Aplicaciones a la Movilidad Urbana
Datos del Proyecto
Descripción de la Experiencia
La Neumática es la rama de la Tecnología que estudia las aplicaciones del aire comprimido (también a presiones inferiores a la atmosférica) en la transmisión de esfuerzos y de información. Tiene aplicaciones en la industria, robótica, vehículos, etc.
Actualmente hay varios prototipos que aplican la neumática en movilidad urbana: coches que se mueven con aire comprimido o que tienen un sistema de propulsión híbrido de motor de combustión y motor de aire comprimido. Las ventajas son obvias en el caso de los primeros: nula contaminación y reducción del gasto energético. Los inconvenientes que plantea son la escasa autonomía de los vehículos de aire comprimido y el relativamente bajo rendimiento energético de comprimir a alta presión: comprimir el aire hasta convertirlo en líquido conlleva grandes pérdidas de energía en forma de calor; su descompresión, por contra, provoca enfriamientos que podrian causar rozamientos y fracturas por contracción de los componentes mecánicos.
No obstante, la aplicación de la neumática en sistemas de propulsión híbrida tiene la ventaja de que almacena energía de frenado o la energía sobrante de circular cuesta bajo de manera barata y eficiente: no es necesaria una cara y pesada batería eléctrica como en el caso de los vehículos híbridos para guardar el excedente de energía; basta con una bombona. Esta energía se puede aplicar a continuación para acelerar un vehículo parado o como ayuda para subir una cuesta. También puede almacenar energía motriz mientras está parado en un semáforo, por ejemplo. Y las pérdidas de energía por compresión no son significativas al trabajar con bajas presiones.
Esto es aplicable en vehículos muy ligeros como una bicicleta. El proyecto busca en una primera fase que los alumnos aprendan y apliquen las posibilidades de los circuitos neumáticos. Y en una segunda fase que las apliquen para un vehículo (bicicleta) que reuna los requisitos del párrafo anterior. Así tendríamos una bicicleta que pueda almacenar la energía de la frenada o de circular cuesta abajo para acelerar desde reposo o como ayuda extra para subir una cuesta. El prototipo debería también aprovechar una parada en un semáforo, por ejemplo, para pedalear y “recargar” el depósito de aire comprimido para ayudar en el arranque o cuando se requiera un empuje adicional.
El alumnado al que se dirige el programa es alumnado de ESO. Las sesiones se han desarrollado como sigue:
1ª sesión: Se le explica al alumnado la intención de aplicar un sistema de propulsión híbrido de aire comprimido a una bicicleta. Para ello empezamos una fase de familiarización con la Neumática: el alumnado más joven monta prototipos de LEGO que almacenan, distribuyen y consumen energía en forma de aire comprimido. Será su primer contacto con los compresores, cilindros neumáticos, válvulas, manómetros, etc. También estudiarán conceptos físicos como la presión y el consumo de aire. El alumnado de 4º ESO que ya conoce estos prototipos va colocando dispositivos neumáticos comprados con la dotación del programa en un tablero para hacer prácticas con él.
2ª sesión: Comienzan a trabajar con componentes neumáticos reales: válvula neumática 3/2 monoestable, cilindro neumático de simple efecto y compresor neumático. Concepto físico: la fuerza. Aparecen algunos problemas relacionados con la compatibilidad entre diámetros de mangueras y de racores que se van solucionando.
3ª sesión: Componentes neumáticos: unidad de mantenimiento, válvula neumática 4/2 biestable y cilindro neumático de doble efecto. El alumnado aprende también a manejar el compresor de aire. Concepto físico: caudal.
4ª sesión: componentes neumáticos: válvula de fin de carrera, válvula unidireccional, regulador de caudal. Automatización de procesos. Concepto físico: rendimiento energético.
5ª sesión: Componentes neumáticos: regulador de presión, válvula neumática de accionamiento neumático, sensor magnético, válvula neumática de accionamiento eléctrico. Automatización de procesos complejos. Aparecen problemas relacionados con la compatibilidad del sensor magnético y la bobina de la válvula de accionamiento eléctrico. Concepto físico: humedad relativa.
6ª sesión: Requerimientos de un vehículo de dos ruedas con tracción híbrida humana-neumática. Diseños previos. Concepto físico: par motor. Se resuelve el problema de incompatibilidad entre el sensor y la bobina.
7ª sesión: Avances en el diseño del vehículo: dimensionamiento del aire almacenable y de la energía asociada. Diseño del control del sistema híbrido a partir de válvulas neumáticas. Primeros ensayos. Se empieza a ensayar un circuito susceptible de almacenar el aire de frenadas y de cuestas abajo (o del pedaleo mientras está en una parada forzosa en un semáforo) y aprovecharlo como ayuda a la tracción extra en un arranque desde reposo o para subir una cuesta.
8ª sesión: Ensayo y puesta a punto del prototipo: el dispositivo es capaz de aprovechar el aire acumulado durante un tiempo aceptable (10-30 segundos) dentro de un rango de presiones entre 1 y 3 bares. Aparecen problemas, por contra, durante los ciclos de almacenamiento del aire: la bombona no se llena y no queda tiempo para averiguar por qué. Quizá haga falta colocar una válvula unidireccional.
Las conclusiones del programa son:
– El alumnado ha mejorado su conocimiento de la neumática y de sus aplicaciones en la industria, las comunicaciones, etc.
– La idea de aplicar el aire comprimido a la tracción de un bicicleta sigue pareciendo factible, pero no se ha completado su ensayo debido a pequeños retrasos acumulados por incompatibilidades en la interconexión de dispositivos neumáticas que se habrían solucionado más prontamente con más experiencia en el campo.
– Para el programa Andalucía Profundiza del curso siguiente, se podría retomar el proyecto en el punto en que se ha dejado: solucionar los problemas de conmutación de durante el almacenaje de aire y acoplarlo mecánicamente a una bicicleta. Posiblemente podamos hacer esto último con un disco de freno.
Imagen de Pixabay
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