¿ QUÉ ES FÍSICA?

“La física es la ciencia que estudia el comportamiento y las relaciones entre la materia, la energía, el espacio y el tiempo”(QUESINFO2013), es decir la física indaga los fenómenos que ocurren tanto en la naturaleza como en el universo con el fin de poder establecer leyes matemáticas en donde se puedan predecir su comportamiento y explicar al mismo. 

Esta es una ciencia cuantitativa que abarca dos divisiones la física clásica y física moderna. La física clásica la cual se constituye de todos los conocimientos físicos adquiridos por la humanidad en el transcurso hasta el siglo XX, durante este tiempo se desarrollaron las siguientes materias o disciplinas : mecánica clásica o Newtoniana, que realiza el estudio de las fuerzas y movimientos que ocurren en cuerpos microscópicos tanto sólidos como fluidos a velocidades sensiblemente inferiores a la velocidad de la luz, parte de esta disciplina se encuentran la estática, dinámica y cinemática; la termodinámica que estudia los procesos de intercambio de energía calorífica y como pueden ser utilizados para realizar trabajo, analizando y describiendo los estados de equilibrio de los sistemas; la mecánica ondulatoria, la cual estudia todos los fenómenos y propiedades relacionadas con las ondas, la óptica que estudia los fenómenos ondulatorios de la luz y la acústica que estudia los fenómenos ondulatorios del sonido; el Electromagnetismo que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificándolos en una sola teoría, de modo que se estudian aquí las atracciones y repulsiones entre los cuerpos electrizados, las propiedades de los imanes y por último la física moderna la cual tiene sus orígenes con el descubrimiento a principios del siglo XX del cuanto de energía por parte del físico alemán Max Planck. Las dos principales materias de la física moderna son la relatividad; que estudia y analiza los fenómenos físicos que ocurren a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, y la física cuántica que estudia el comportamiento y los fenómenos que ocurren a escalas microscópicas entre átomos y las partículas que los componen, presentando ambas una visión totalmente diferente del concepto del espacio, tiempo y la materia presentados por la física clásica. La física es la ciencia fundamental e importante de todas las ciencias.

Desde el minuto 17 se puede tener una explicación clara de la física y sus ramas

¿ QUÉ ES MAGNETISMO?

El magnetismo consiste en la interacción entre dos o más elementos, expresada por medio de la atracción o la repulsión entre ambos objetos y, a su vez, esto depende de los polos magnéticos o campo magnético. El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, pues es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Estas fuerzas magnéticas son generadas por el movimiento de partículas cargadas lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. “El electromagnetismo es el estudio de los efectos de las cargas eléctricas en reposo o en movimiento”⁵ y es indispensable para poder explicar los fenómenos electromagnéticos y comprender el funcionamiento y características de dispositivos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos usados principalmente en la ingeniería.

Leyes magneticas from EdgaarZ

LEVITACIÓN MAGNÉTICA

La levitación magnética es el efecto de levitar un elemento por medio de un fenómeno que se fundamenta en el principio de repulsión que tienen dos polos de igual carga magnética, que con el debido control provoca que un cuerpo se mantenga suspendido en el aire.

También este principio se aplica a lo que se denomina efecto Meissner-Ochsenfeld, una propiedad inherente de los superconductores. La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad.

Efecto Meissner- Ochsenfeld

 El Efecto Meissner- Ochsenfeld fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, y consiste en que cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo en el interior del superconductor el campo magnético se anula.

Básicamente, los electrones modifican sus órbitas de modo que compensan el campo magnético externo de modo que en el interior, el campo sea nulo. Por el hecho de que existe suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.

Este efecto puede utilizarse para producir “levitación magnética”:

Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él. Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire. Se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia. Por tanto un objeto estará bajo levitación magnética cuando la fuerza generada por la repulsión electromagnética es lo suficientemente fuerte para equilibrar el peso del objeto

SUPERCONDUCTIVIDAD

La superconductividad es la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en ciertas condiciones, siendo una de éstas, el encontrarse a muy bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto (-273°C). Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se enfriaba a 4° Kelvin (-269 °C).

La aparición del superdiamagnetismo es debido a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes
crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.

PROYECTOS DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA

¿Qué es un Tren Maglev?

Tren Maglev, o también conocido como el tren de levitación magnética es un sistema de transporte ferroviario en donde el tren levita sobre la vía gracias a los campos magnéticos. Este tren al igual que las vías utilizan una gran cantidad de imanes para permanecer suspendidos y de esa manera impulsarse y guiarse a través de las rieles del tren. Los trenes Maglev pueden viajar a altas velocidades gracias a la levitación magnética puesto que no existe contacto físico entre riel y tren, solo hay resistencia con el aire sin embargo la forma aerodinámica del tren supera la fricción y esto optimiza sin afectar la velocidad de viaje del Maglev

Existen proyectos del Maglev en Alemania, Estados Unidos, Emiratos Árabes Unidos, Holanda, y Gran Bretaña. Es importante destacar que  Venezuela y Brasil son los únicos países sudamericanos interesados en construir un tren Maglev sin embargo ninguna de estas propuestas de construcción ha sido aprobada. En estos países han encontrado un gran beneficio al implementar este sistema:

ü  Es rápido

ü  Silencioso

ü  No produce vibraciones

ü  Transporte masivo de población o carga

ü  No implementa combustibles fósiles ni emite gases de efecto invernadero

ü  Es más conveniente que los sistemas de transportes convencionales

ü  Son trenes muy rápidos, transporte más eficiente.

ü  Comodidad y seguridad; el tren mismo "vuela", poreso es más confortable.

ü  A pesar del costo considerable, es más conveniente si se considera el costo de reparación de trenes convencionales en constante deterioro.

ü  Hacen menos ruido que los demás trenes

ü  disminución de contaminación auditiva.

ü  Pueden ascender rampas y voltear curvas cerradas; su recorrido se puede adaptar al curso de las autopistas.

ü  No hay necesidad de túneles y otras construcciones caras; su vía es elevada.

ü  Necesita menos energía que los otros sistemas de transporte; se elimina el rozamiento entre suelo y tren.

ü  Prácticamente no hay desgaste de las vías.

ü  Menor contaminación del aire.

ü  Menor impacto medioambiental; sus pistas ocupan menos espacio.

ü  Menos propenso a accidentes; no es posible un choque pues por la polaridad de los rieles, dos trenes no pueden avanzar en sentidos opuestos al mismo tiempo. Tampoco podrían chocar automóviles, pues están sobre el nivel de las pistas

No obstante es fundamental destacar que tiene un único inconveniente y este es “su elevado costo de instalación infraestructural: las vías y el sistema eléctrico; además, para construir un tren Maglev es demandante un gran estudio técnico del terreno, sus suelos y ecosistemas. Esto último unido al alto consumo energético que demanda el tren”13

En China, el Maglev de Shanghái alcanzó los 9,93 mil millones de yuanes(US$1500 millones app), incluyendo los costos de infraestructura, construcción, instalación y capacitación del personal, pero para expandir el recorrido, los costos serían de 200 millones de yuanes(US$ 30 millones app) por km. EEUU, por su parte, implementó un tren Maglev entre Baltimore y Washington, gastando US$ 4.361mil millones en el tramo de 62 kms entre ambas ciudades. Esto no incluía los 4.9 millones que se tuvo que pagar como indemnización por impacto ambiental, ni los 53 mil millones que se han de pagar por año de funcionamiento

También está el caso del Maglev lento construido en Japón que apenas alcanza los 100 km/h pero tiene contaminación nula y no produce ruido. Su costó fue de unos US$100 millones por km

¿Cómo y dónde nació la idea del Tren Maglev?

A lo largo de la historia la búsqueda de un transporte más rápido y eficaz ha sido de suma importancia para los ingenieros en donde buscan un transporte eficaz, el cual no consuma mucho combustible, no dañe al medio ambiente y que sea veloz. 

Esto ha llevado a que grandes naciones investigaran la forma más adecuada de optimizar el uso de la energía que consume los medios de transporte, fue entonces que descubrieron que si encontraban una forma de evitar la fricción de dicho transporte con el terreno por donde circularan, lograrían disminuir el consumo de energía considerablemente. 

En Gran Bretaña se les ocurrió la idea del uso de la levitación magnética en los medios de transporte, ya que de esta manera el campo magnético evitará que tenga contacto con la superficie del camino que recorriera. En 1978 Gran Bretaña tenía el liderazgo en investigación Maglev. Erik Laithwaite desarrollo un vehículo de pasajeros Maglev el cual pesaba 1 tonelada y podía llevar 4 pasajeros sin embargo fue suspendida debido  que dejaron de financiarla. 

Transrapid fue el primer tren maglev con propulsión de estator largo patentado para transporte de pasajeros. En 1979, sobre 908 metros de vías fue abierto en Hamburgo para el International Transportation Exhibition. El primer maglev de baja velocidad totalmente automatizado, operaba en una sección elevada de 600 metros sobre una pista mono riel, entre el aeropuerto internacional Birmingham y la estación internacional de ferrocarril de Birmingham, fue cerrado temporalmente en 1995 por problemas en el diseño.

Hoy en día la máxima velocidad probada de un Maglev actual que opere comercialmente fue la obtenida en la demostración lineal del IOS del tren alemán Transrapid construido en Shangai, China, que transportó personas durante 30 km en tan solo 7 minutos 20 segundos, consiguiendo una velocidad tope de 431 km/h, y promediando 250 km/h.

Existen otras líneas comerciales operativas en Japón, como la línea Linimo. la tecnología actual de los Maglev está en su climax, pero los costes y otros problemas crean dificultades para su desarrollo e implementación, por lo que se están intentando desarrollar tecnologías alternativas para resolver estas dificultades

Principios básicos por los cuales funciona un tren maglev.

1)Principio de levitación magnética.

Todos los sistemas que utilicen levitación magnética para sustentar elementos ferromagnéticos deben contar, por lo menos, con dos elementos: un sistema eléctrico, constituido por una fuente variable de voltaje y una bobina; un sistema electromecánico, que utiliza la energía eléctrica almacenada en la bobina en forma de campo magnético para compensar la energía mecánica. Esta última relación se comprueba físicamente como el equilibrio de fuerza magnética y mecánica.

F = ma   F: son las fuerzas aplicadas al sistema, m es la masa del cuerpo y a es la aceleración el mismo.

Las fuerzas que actúan sobre el sistema son:

·         mg: Fuerza producida sobre la masa m del cuerpo debido a la aceleración del campo gravitatorio terrestre g.

·         kv: Fuerza originada por la fricción o rozamiento del cuerpo.

·         F(y, i) : Fuerza ejercida por las bobinas de los raíles.

La sumatoria de fuerzas esta dada por la ecuación 

F = mg − kv + F(y, i) ==> mg − kv + F(y, i) = ma

La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice.

1.   “Suspensión electromagnética (EMS): En el caso del EMS, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no posee magnetismo permanente. Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Ya que el carril no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en dirección a éste elevando con ellos el tren completo. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanes encargados de la guía lateral del vehículo serán colocados en los laterales del tren de manera que quede garantizado su centrado en la vía. La principal ventaja de las suspensiones EMS es que usan electroimanes . Por no necesitar imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración Los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece y, aunque la corriente eléctrica circulante en los electroimanes puede ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o de que el tren toque la guía. Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremoto podría destruir completamente todo un sistema de líneas maglev. Por otro lado la amplitud del hueco entre vehículo y guía no puede ampliarse porque el costo de esto haría al sistema prohibitivo.
   
2. Suspensión electrodinámica (EDS):
   

   La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos. Esta propiedad se da en superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se expuso con anterioridad. La suspensión, por tanto, consiste en que el superconductor rechazará las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. En diversos prototipos de suspensión EDS se ubica un material superconductor a los lados de la parte inferior del vehículo.
   Este pasa a unos centímetros de un conjunto de bobinas situadas sobre el carril guía. Al moverse el vehículo a lo largo del carril se inducirá una corriente en las bobinas de este, las cuales actuarán entonces como electroimanes. Al interactuar con los superconductores montados en el tren, se producirá la levitación. Debido a esto, la fuerza de levitación será cero cuando el vehículo se encuentre parado; para esto el tren tiene incorporadas unas ruedas neumáticas. Estas funcionan de la siguiente manera: como la fuerza de levitación aumenta con la velocidad, cuando la velocidad alcanzada por el tren es la suficiente para que este se eleve, las ruedas quedan entonces “en el aire” y por lo tanto, inutilizadas. De la misma manera, cuando la velocidad empieza a disminuir, lo que hace que disminuya la fuerza repulsiva, el tren comienza a descender hasta que las ruedas quedan apoyadas, y así se detiene. Este sistema permite levitaciones de hasta 15 cm, lo cual supera por mucho al sistema EMS. Esto permite hacer guías menos precisas para este tipo de trenes  y los protege de los daños que pequeñas deformaciones en terremotos pudieran producir. Además, un tren con suspensión EDS se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera que ninguna perturbación es sentida dentro del vehículo.
    Una desventaja de este sistema es que la utilización directa de superconductores provoca grandes campos magnéticos dentro del vehículo, o sea la zona donde se encuentran los pasajeros, por lo que se deben utilizar complejos sistemas de aislamiento de la radiación magnética (sobre los superconductores) para no perjudicar la salud de los pasajeros, ya que es sabido que una continua exposición a campos magnéticos muy intensos puede contribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como el cáncer. Otra desventaja son los grandes costos de los materiales superconductores y de los potentes sistemas de refrigeración necesarios para mantener a estos a una baja temperatura.
   
3. Suspensión con imanes permanentes (Inductrack):
   La Inductrack es esencialmente un sistema EDS que, en cambio de tener superconductores, utiliza imanes permanentes. La solución encontrada fue una distribución especial de poderosos imanes permanentes, conocida como ordenación Halbach, para crear una fuerza de levitación suficiente poderosa para funcionar un Maglev. En esta ordenación, barras magnéticas con grandes campos son desposadas de manera que el campo magnético de cada barra este ordenado en un ángulo correcto con la barra adyacente. La combinación de líneas de campo magnético de esta ordenación resulta un poderoso campo debajo de esta y prácticamente un campo arriba
   La vía Inductrack contendría dos filas de bobinas que actúan como railes. Cada uno de estos "railes" estaría envuelto por dos ordenaciones halbach de imanes: una posicionada directamente sobre el "rail" y la otra a lo largo del costado interior del mismo