ING. EDGAR ESPEJO MORA

Universidad de San Buenaventura

Grupo de Cohetería

7 de septiembre de 1999.

Newton enunció las tres leyes básicas que rigen el movimiento de los cuerpos:

• Todo cuerpo mantiene constante su cantidad de movimiento (P), a no ser que se le obligue a cambiarla mediante la acción de fuerzas.
• La variación de la cantidad de movimiento de un cuerpo en el tiempo, es igual a la fuerza a la cual se somete.

• Las fuerzas se presentan siempre por parejas. Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, el cuerpo B ejercerá una fuerza igual pero opuesta sobre el cuerpo A (ley de acción-reacción).

" La ley de Acción-Reacción fundamenta el movimiento de los cuerpos respecto al medio que los rodea "

Cuando existe un medio material que rodea al cuerpo que se moviliza, éste es el que proporciona la fuerza de reacción, en respuesta a la acción que ejerce el cuerpo sobre él.

En la dirección y sentido de la fuerza de reacción, se produce el movimiento del cuerpo, lo cual se puede apreciar en los ejemplos mostrados en la Figura 1.

Figura 1. Movimiento con medio exterior.

Cuando no existe un medio material que rodee al cuerpo que se quiere movilizar (vacío), se hace necesario utilizar parte de su propia masa como medio de reacción para lograr el movimiento. Lo anterior implica que una fracción de la masa del cuerpo debe arrojarse en el sentido contrario al movimiento requerido, para obtener así la fuerza de reacción que mueva al cuerpo. El principio anterior fundamenta el movimiento de los cohetes, tal como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Movimiento del cohete.

Máquina como un concepto general se puede definir de la siguiente manera:

" Conjunto de elementos cuya función es la de transformar la energía "

La transformación de la energía se puede realizar entre un solo dominio (mecánico, eléctrico, químico, etc.), o de uno a otro, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Transformación de la energía.

Con base en la definición anterior se puede entrar a definir motor:

" Máquina cuya función es la transformar cualquier tipo de energía, en energía mecánica útil al hombre asociada al movimiento de un cuerpo rígido (rotación de un eje, desplazamiento de un cilindro, movimiento del propio motor en su conjunto, etc.) "

Lo anterior se esquematiza en la Figura 4.

Figura 4. Flujo de energía en un motor.

Las máquinas de fluido se pueden definir de la siguiente manera:

" Son aquellas en las cuales el intercambio energético tiene lugar entre un fluido y un cuerpo rígido "

Las máquinas de fluido se pueden clasificar de la siguiente forma:

• Máquinas Hidráulicas: Son aquellas en las cuales el fluido con el cual se intercambia la energía, se considera incompresible, es decir, es un líquido.
• Máquinas Térmicas: Son aquellas en las cuales el fluido con el cual se intercambia la energía, se considera compresible, es decir, es un gas o un vapor.

En los fluidos se puede almacenar energía básicamente en tres formas:

• Aumentando la energía potencial debida a la gravedad.
• Aumentando la energía cinética.
• Aumentando la entalpía.

La entalpía de un fluido se puede definir de la siguiente manera:

" Energía almacenada en un fluido asociada a su energía interna y a su presión "

La expresión matemática de la entalpía es la siguiente:

donde:

 : Entalpía.

 : Energía interna del fluido.

 : Presión del fluido.

 : Volumen que ocupa el fluido.

La energía interna de un fluido se define de la siguiente forma:

" Energía almacenada en un fluido asociada a las energías cinética y potencial, que poseen sus partículas en virtud de sus velocidades y posiciones relativas "

La energía interna depende de la temperatura y del volumen del fluido, lo que indica que en caso de fluidos incompresibles solo dependerá de la temperatura. Esto muestra intuitivamente que se puede almacenar una mayor cantidad de energía en un gas que en un líquido, ya que en el primer caso se pueden manejar dos variables (temperatura y volumen), mientras que en el segundo solo una de ellas.

Manteniendo consistencia con las definiciones anteriores, se define un motor térmico de la siguiente forma:

" Es una máquina de fluido que transforma parte de la energía almacenada en un fluido compresible, en energía mecánica útil asociada al movimiento de un cuerpo rígido "

La palabra térmico asociada a este tipo de máquinas, proviene del hecho de que la forma el la cual se eleva comúnmente la energía almacenada en el fluido compresible, se realiza a través de una adición de calor.

En la mayoría de máquinas térmicas la adición de calor con la cual se eleva la energía almacenada en un fluido compresible, se realiza a través de un proceso químico de combustión, razón por la cual son comunes las designaciones "Máquinas de combustión" o "Motores de combustión".

Como se mencionó anteriormente al hablar de motores térmicos se hace referencia normalmente a motores de combustión, y es precisamente en base a esta característica que se clasifican este tipo de máquinas.

Los motores térmicos o de combustión se clasifican de acuerdo a que ocurra o no el proceso de la combustión en el fluido de trabajo (fluido del cual toma la energía el motor), encontrándose la siguiente subdivisión:

• Motor de combustión externa: Es aquel en el cual el fluido de trabajo no es el que experimenta el proceso de la combustión, sino que ésta se lleva a cabo en un segundo fluido que no le transfiere directamente la energía al motor, sino al fluido de trabajo.
• Motor de combustión interna: Es aquel en el cual el fluido de trabajo es el que experimenta el proceso de la combustión, y a su vez le transfiere directamente la energía al motor.

En los motores de combustión externa el fluido que experimenta el proceso de la combustión, consta básicamente de una mezcla de aire y combustible, la cual al quemarse dentro de una caldera, le transfiere calor al fluido de trabajo que irá posteriormente al motor térmico.

En la mayoría de los casos el fluido de trabajo de los motores de combustión externa es el vapor de agua, encontrándose dos tipos de motores básicos:

• La máquina de vapor: Esta consta básicamente de un mecanismo biela-manivela, unido a un pistón que se mueve dentro de una camisa bajo la acción de la presión del vapor. En la Figura 5 se muestran la máquina de vapor y la caldera que genera el vapor.

Figura 5. Máquina de vapor.

• La turbina de vapor: Esta consta básicamente de una serie de alabes unidos radiálmente a un eje, los cuales lo hacen rotar cuando incide sobre ellos una corriente de vapor. Lo anterior se muestra esquemáticamente en la Figura 6.

Figura 6. Turbina de vapor.

En los motores de combustión interna el fluido de trabajo experimenta también el proceso de la combustión, constando básicamente de una mezcla de aire y combustible inicialmente, que al quemarse dentro del motor se transforma en una serie de gases de combustión con alta energía, la cual se transfiriere posteriormente a la máquina.

Los motores de combustión interna se clasifican de la siguiente forma:

• Motores alternativos: Estos poseen el mismo principio de funcionamiento de la máquina de vapor, solo que aquí el fluido de trabajo si experimenta el proceso de la combustión. En la Figura 7 se muestra esquemáticamente un motor alternativo.
• Turbina de gas: Esta es en esencia la misma turbina de vapor, solo que aquí el fluido de trabajo son los gases producto de la combustión.

Figura 7. Motor alternativo.

• Motores a reacción: Son aquellos que adquieren un movimiento del conjunto del motor, mediante la expulsión a alta velocidad del fluido de trabajo (gases producto de la combustión), en el sentido contrario al movimiento deseado, es decir, que utilizan el principio de acción-reacción.

Figura 8. Motor a reacción.

• Pulsorreactor: En este motor se colocan una serie de válvulas de admisión, las cuales se abren para permitir la entrada del aire, y se cierran cuando se inyecta el combustible y se produce el encendido. Un motor de este tipo se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Pulsorreactor.

• Estatorreactor: En este motor es la presión de los gases admitidos la que asegura el correcto flujo dentro del mismo, lo cual se logra a altas velocidad del aire admitido. En la Figura 10 se muestra un estatorreactor.

Figura 10. Estatorreactor.

• Turborreactor: En este motor es un compresor accionado por una turbina de gas, el que impide la salida de los gases de la combustión por el conducto de admisión. En la Figura 11 se muestra un turborreactor.

Figura 11. Turborreactor

Figura 12. Motor-Cohete