Telescopio

Telescopio, instrumento con el que se consiguen imágenes amplificadas de objetos distantes.

El telescopio se inventó en Holanda, pero se discute la identidad del verdadero inventor. Normalmente se le atribuye a Hans Lippershey, un fabricante de lentes holandés, sobre 1608. En 1609, el astrónomo italiano Galileo mostró el primer telescopio registrado. El astrónomo alemán Johannes Kepler descubrió el principio del telescopio astronómico construido con dos lentes convexas. Esta idea se utilizó en un telescopio construido por el astrónomo Christoph Scheiner, un jesuita alemán, en 1630. Debido a las dificultades producidas por la aberración esférica, los telescopios astronómicos deben tener una distancia focal considerable: algunos de hasta 61 m (véase Óptica).

La invención del objetivo acromático en 1757 por el óptico británico John Dollond y el perfeccionamiento del cristal de roca óptico (vidrio flint) en 1754, permitieron pronto la construcción de telescopios refractores muy perfeccionados. Las lentes de Dollond tenían un diámetro de sólo 7,5-10 cm; en cualquier caso, todos estos telescopios tenían dimensiones modestas. A finales del siglo XVIII, Pierre Louis Guinand, un óptico suizo, descubrió los métodos para fabricar grandes discos de vidrio flint; después se asoció con el físico alemán Joseph von Fraunhofer. El descubrimiento de Guinand permitió la fabricación de telescopios de hasta 25 cm de diámetro.

El siguiente gran industrial de lentes telescópicas fue el astrónomo y fabricante de lentes estadounidense Alvan Clark. Junto con su hijo, Alvan Graham Clark, construyó lentes no sólo para los principales observatorios de su país, sino también para el Observatorio Imperial Ruso en Pulkovo y para otras instituciones europeas.

En el telescopio reflector se utiliza un espejo cóncavo para formar una imagen. Se han inventado numerosas variaciones de este telescopio y con él se han realizado muchos de los más importantes descubrimientos astronómicos. A principios del siglo XVII, un jesuita italiano, Niccolò Zucchi, fue el primero en utilizar un ocular para ver la imagen producida por un espejo cóncavo, pero fue el matemático escocés James Gregory quien describió por primera vez un telescopio con un espejo reflector en 1663. El físico y matemático inglés Isaac Newton construyó el primer telescopio reflector en 1668. En este tipo de telescopio la luz reflejada por el espejo cóncavo tiene que llevarse a un punto de visión conveniente al lado del instrumento o debajo de él, de lo contrario el ocular y la cabeza del observador interceptan gran parte de los rayos incidentes. Gregory solucionó esta dificultad en su diseño interponiendo un segundo espejo cóncavo, que reflejaba los rayos al ocular. Henry Draper, uno de los primeros astrónomos estadounidenses que construyó un telescopio reflector, utilizó con éxito un prisma de reflexión total en lugar de un espejo plano.

El físico y astrónomo francés Giovanni D. Cassegrain inventó un telescopio que tenía un espejo convexo en lugar de uno cóncavo hacia 1672. El astrónomo inglés William Herschel inclinó el espejo de su telescopio y colocó el ocular de forma que no bloqueara los rayos incidentes. Los espejos de Herschel tenían un diámetro de 122 cm, y un tubo de unos 12,2 m de longitud. Los espejos de los telescopios reflectores solían hacerse de metal brillante, una mezcla de cobre y estaño, hasta que el químico alemán Justus von Liebig descubrió un método para colocar una película de plata sobre una superficie de cristal. Los espejos con baño de plata fueron muy aceptados no sólo por la facilidad de construcción del espejo, sino también porque se podía repetir el baño de plata en cualquier momento sin dañar su forma. El baño de plata ha sido sustituido por el revestimiento de aluminio, de mayor duración.

En 1931, el óptico alemán Bernard Schmidt inventó un telescopio combinado reflector-refractor que puede fotografiar con nitidez amplias áreas del cielo. Este telescopio contiene una lente delgada en un extremo y un espejo cóncavo con una placa correctora en el otro. El mayor telescopio Schmidt, con una lente de 134 cm y un espejo de 200 cm, está en el Observatorio Karl Schwarzschild, en Tautenberg, Alemania.

En la actualidad, el mayor telescopio reflector del mundo es el telescopio Keck, de 982 cm, en el Observatorio Mauna Kea en Hawai. Entre la lista de reflectores de más de 254 cm de diámetro están el telescopio de 600 cm de diámetro del Observatorio Astrofísico de Rusia, cerca de Zelenchukskaya; el telescopio de 508 cm del Observatorio Monte Palomar, California, Estados Unidos; el de 420 cm del Observatorio del Roque de los Muchachos en las Islas Canarias, España; el instrumento de 401 cm del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo cerca de La Serena, Chile; el telescopio de 389 cm del Observatorio Anglo-australiano cerca de Coonabarabran, en Australia; el de 381 cm del Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona, Estados Unidos, y el telescopio de 381 cm de Mauna Kea. Un telescopio estadounidense famoso, el Hooker de 254 cm, en el Observatorio Monte Wilson en Pasadena, California, fue cerrado desde 1985 a 1992, por causa de las presiones financieras, por los nuevos desarrollos tecnológicos y por el deseo de simplificar su funcionamiento.

El telescopio Keck incorpora una importante innovación en su diseño. La superficie del espejo del telescopio consta de 36 segmentos hexagonales individuales, cada uno de los cuales puede moverse mediante tres pistones actuantes. Las técnicas electrónicas mantienen los segmentos alineados entre sí. La segmentación no sólo reduce el peso del aparato, sino que también hace que sea mucho más sencillo pulir el espejo gigante.

Otra importante innovación en el diseño de telescopios es el telescopio de espejos múltiples (MMT), el primero de los cuales se terminó en 1979 en el Observatorio Monte Hopkins, Arizona, Estados Unidos. El MMT emplea un conjunto de seis espejos cóncavos de 183 cm (que deben reemplazarse por un solo espejo de 650 cm) para lograr la efectividad del acopio de luz de un único reflector de 450 cm de diámetro.

En 1991 el Observatorio Europeo Austral (ESO, siglas en inglés) comenzó la construcción del VLT (Very Large Telescope), un complejo astronómico, el más sensible del mundo, formado por cuatro telescopios, cada uno con un espejo principal de 8,2 m de diámetro. Los telescopios podrán ser utilizados de forma independiente, pero en principio han sido diseñados para que funcionen totalmente sincronizados, a fin de combinar la luz captada por los cuatro y obtener una resolución equivalente a la de un único telescopio con un diámetro igual a la distancia máxima entre ellos. El VLT se está construyendo en Cerro Paranal, en el desierto de Atacama (Chile). En mayo de 1998 se realizaron con éxito las primeras pruebas de funcionamiento del primer telescopio del VLT.

El telescopio espacial Hubble tiene la ventaja de estar por encima de la atmósfera distorsionante de la Tierra. Fue lanzado en 1990 con múltiples problemas mecánicos y electrónicos y reparado en diciembre de 1993. Incluso antes de la reparación, proporcionó algunas imágenes mejores que las obtenidas con instrumentos situados en la Tierra.

RADIOTELESCOPIOS

El radiotelescopio VLA está situado a unos 80 km al oeste de Socorro, Nuevo México (EEUU). Tiene 27 antenas móviles, dirigibles, con diámetros de 25 m, colocadas en tres brazos de 21 km, con una configuración en forma de Y. Mediante la combinación de las señales de las 27 antenas, el VLA tiene un poder de resolución mucho mayor que el de cualquier antena única. El VLBA (Very Long Baseline Array) es un conjunto de 10 antenas situadas desde Hawai hasta las islas Vírgenes de Estados Unidos. El VLBA, que se terminó en 1993, se basa en el mismo principio que el VLA, combinando las señales de sus 10 antenas para crear imágenes de alta resolución.

El mayor radiotelescopio dirigible, con una antena de 100 m, se ubica en el Instituto Max Planck de Radioastronomía, cerca de Bonn, Alemania. El mayor radiotelescopio es accionado por la Universidad de Cornell y está fijo. Se construyó en una hondonada natural en las montañas cercanas a Arecibo, Puerto Rico (véase Observatorio Arecibo). El dispositivo detector en el foco del telescopio está suspendido sobre el reflector por tres soportes de acero. El telescopio, de 305 m de diámetro, se terminó en 1963. Véase Radioastronomía; Astronomía radar.

Motor de combustión interna

Motor de combustión interna, cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la turbina de combustión. Para tipos de motores que utilizan la propulsión a chorro, véase Cohete. El motor cíclico Otto, cuyo nombre proviene del técnico alemán que lo inventó, Nikolaus August Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica. El motor diesel, llamado así en honor del ingeniero alemán Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y algunos automóviles. Tanto los motores Otto como los diesel se fabrican en modelos de dos y cuatro tiempos.

PARTES DEL MOTOR

Los motores Otto y los diesel tienen los mismos elementos principales. La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al interior. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por un eje al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la rotación. Los cigüeñales cuentan con pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del movimiento del eje. Un motor puede tener de 1 a 28 cilindros.

El sistema de bombeo de combustible de un motor de combustión interna consta de un depósito, una bomba de combustible y un dispositivo que vaporiza o atomiza el combustible líquido. Se llama carburador al dispositivo utilizado con este fin en los motores Otto. En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Muchos motores cuentan con un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la combustión. Cada cilindro toma el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de cabezal o válvulas deslizantes. Un muelle mantiene cerradas las válvulas hasta que se abren en el momento adecuado, al actuar las levas de un árbol de levas rotatorio movido por el cigüeñal. En la década de 1980, este sistema de alimentación de una mezcla de aire y combustible se ha visto desplazado por otros sistemas más elaborados ya utilizados en los motores diesel. Estos sistemas, controlados por computadora, aumentan el ahorro de combustible y reducen la emisión de gases tóxicos.

Todos los motores tienen que disponer de una forma de iniciar la ignición del combustible dentro del cilindro. Por ejemplo, el sistema de ignición de los motores Otto, llamado bobina de encendido, es una fuente de corriente eléctrica continua de bajo voltaje conectada al primario de un transformador. La corriente se corta muchas veces por segundo con un temporizador. Las fluctuaciones de la corriente del primario inducen en el secundario una corriente de alto voltaje, que se conduce a cada cilindro a través de un interruptor rotatorio llamado distribuidor. El dispositivo que produce la ignición es la bujía, un conductor fijado a la pared superior de cada cilindro. La bujía contiene dos hilos separados entre los que la corriente de alto voltaje produce un arco eléctrico que genera la chispa que enciende el combustible dentro del cilindro.

Dado que la combustión produce calor, todos los motores deben disponer de algún tipo de sistema de refrigeración. Algunos motores estacionarios de automóviles y de aviones y los motores fueraborda se refrigeran con aire. Los cilindros de los motores que utilizan este sistema cuentan en el exterior con un conjunto de láminas de metal que emiten el calor producido dentro del cilindro. En otros motores se utiliza refrigeración por agua, lo que implica que los cilindros se encuentran dentro de una carcasa llena de agua que en los automóviles se hace circular mediante una bomba. El agua se refrigera al pasar por las láminas de un radiador. En los motores navales se utiliza agua del mar para la refrigeración.

Al contrario que los motores y las turbinas de vapor, los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan (véase Momento de una fuerza), lo que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar el ciclo. Los motores de automoción utilizan un motor eléctrico (el motor de arranque) conectado al cigüeñal por un embrague automático que se desacopla en cuanto arranca el motor. Por otro lado, algunos motores pequeños se arrancan a mano girando el cigüeñal con una cadena o tirando de una cuerda que se enrolla alrededor del volante del cigüeñal. Otros sistemas de encendido de motores son los iniciadores de inercia, que aceleran el volante manualmente o con un motor eléctrico hasta que tiene la velocidad suficiente como para mover el cigüeñal, y los iniciadores explosivos, que utilizan la explosión de un cartucho para mover una turbina acoplada al motor. Los iniciadores de inercia y los explosivos se utilizan sobre todo para arrancar motores de aviones.

MOTORES CÍCLICOS OTTO

El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos, es decir, que el ciclo completo del pistón tiene cuatro fases, dos hacia el cabezal cerrado del cilindro y dos hacia atrás. Durante la primera fase del ciclo el pistón se mueve hacia atrás mientras se abre la válvula de admisión. El movimiento del pistón durante esta fase aspira hacia dentro de la cámara la cantidad necesaria de la mezcla de combustible y aire. Durante la siguiente fase, el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro y comprime la mezcla de combustible contenida en la cámara. Cuando el pistón llega hasta el final de esta fase y el volumen de la cámara de combustión es mínimo, la bujía se activa y la mezcla arde, expandiéndose y creando dentro del cilindro la presión que hace que el pistón se aleje; ésta es la tercera fase. En la fase final, se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia la cabeza del cilindro para expulsar los gases, quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.

La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración. En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión, la proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25% (o sea, que sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica).

MOTORES DIESEL

En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar a un volumen constante en lugar de a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera fase se absorbe solamente aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la de compresión, el aire se comprime a una fracción mínima de su volumen original y se calienta hasta unos 440 ºC a causa de la compresión. Al final de la fase de compresión el combustible vaporizado se inyecta dentro de la cámara de combustión y arde inmediatamente a causa de la alta temperatura del aire. Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible para arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La combustión empuja el pistón hacia atrás en la tercera fase, la de potencia. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.

La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los mismos factores que los motores Otto, es mayor que en cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, algunos tipos de motores diesel pueden alcanzar las 2.000 rpm. Como el grado de compresión de estos motores es de 14 a 1, son por lo general más pesados que los motores Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de que utilizan combustibles más baratos.

MOTORES DE DOS TIEMPOS

Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, lo que implica que la potencia que producen es menor que la mitad de la que produce un motor de cuatro tiempos de tamaño similar.

El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.

MOTOR ROTATORIO

En la década de 1950, el ingeniero alemán Felix Wankel desarrolló un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, que utilizaba un rotor triangular que gira dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro. La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro. El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción.

MOTOR DE CARGA ESTRATIFICADA

Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de recirculación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficiente como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.

Transbordador o lanzadera espacial

El transbordador o lanzadera espacial es el primer vehículo espacial reutilizable diseñado para realizar hasta 100 misiones con un mantenimiento mínimo. Despega en vertical, y a su regreso a la Tierra es capaz de realizar maniobras de aterrizaje. En su bodega de carga, los transbordadores han transportado al espacio satélites, el telescopio espacial Hubble y distintos componentes de la Estación Espacial Internacional, entre otras cargas útiles.

Máquina de vapor

Máquina de vapor, dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.

HISTORIA

El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis Papin y se utilizó para bombear agua. El motor de Papin, poco más que una curiosidad, era una máquina que aprovechaba el movimiento del aire más que la presión del vapor. La máquina contaba con un único cilindro que servía también como caldera. Se colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta que producía vapor. La presión del vapor empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor de la parte inferior. A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.

En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina que utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera. Esta máquina se utilizó también para bombear agua, igual que la máquina llamada motor atmosférico desarrollada por el inventor británico Thomas Newcomen en 1705. Este dispositivo contaba con un cilindro vertical y un pistón con un contrapeso. En la parte inferior del cilindro el vapor actuaba sobre el contrapeso, moviendo el pistón hacia la parte superior del cilindro. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se abría automáticamente una válvula que inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro. El agua condensaba el vapor y la presión atmosférica hacía que el pistón descendiera de nuevo a la parte baja del cilindro. Una biela, conectada al eje articulado que unía el pistón con el contrapeso, permitía accionar una bomba. El motor de Newcomen no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico como para ser utilizado con frecuencia para extraer agua en minas de carbón.

Durante sus trabajos de mejora de la máquina de Newcomen el ingeniero e inventor escocés James Watt desarrolló una serie de ideas que permitieron la fabricación de la máquina de vapor que hoy conocemos. El primer invento de Watt fue el diseño de un motor que contaba con una cámara separada para la condensación del vapor. Esta máquina, patentada en 1769, redujo los costos de la máquina de Newcomen evitando la pérdida de vapor producida por el calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro. Watt aisló el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor. La cámara de condensación separada, refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer un vacío que permitía absorber el vapor del cilindro hacia el condensador. La bomba se utilizaba también para eliminar el agua de la cámara de condensación.

Otro concepto fundamental de las primeras máquinas de Watt era el uso de la presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento. Diseñó también un sistema por el cual los movimientos de vaivén de los pistones movían un volante giratorio. Esto se consiguió al principio con un sistema de engranajes y luego con un cigüeñal, como en los motores modernos. Entre las demás ideas de Watt se encontraba la utilización del principio de doble acción, por el cual el vapor era inyectado cada vez a un lado del pistón para mover éste hacia adelante y hacia atrás. También instaló válvulas de mariposa en sus máquinas para limitar la velocidad, además de reguladores que mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.

El siguiente avance importante en el desarrollo de máquinas de vapor fue la aparición de motores sin condensación prácticos. Si bien Watt conocía el principio de los motores sin condensación, no fue capaz de perfeccionar máquinas de este tipo, quizá porque utilizaba vapor a muy baja presión. A principios del siglo XIX el ingeniero e inventor británico Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans construyeron motores sin condensación con buenos resultados, utilizando vapor a alta presión. Trevithick utilizó este modelo de máquina de vapor para mover la primera locomotora de tren de todos los tiempos. Tanto Trevithick como Evans desarrollaron también carruajes con motor para carretera.

Por esta época el ingeniero e inventor británico Arthur Woolf desarrolló las primeras máquinas de vapor compuestas. En estas máquinas se utiliza vapor a alta presión en un cilindro y cuando se ha expandido y perdido presión es conducido a otro cilindro donde se expande aún más. Los primeros motores de Woolf eran del tipo de dos fases, pero algunos modelos posteriores de motores compuestos contaban con tres o cuatro fases de expansión. La ventaja de utilizar en combinación dos o tres cilindros es que se pierde menos energía al calentar las paredes de los cilindros, lo que hace que la máquina sea más eficiente.

MÁQUINAS DE VAPOR MODERNAS

El funcionamiento de una máquina de vapor moderna convencional se muestra en las figuras 1a-d, que muestran el ciclo de funcionamiento de una máquina de este tipo. En la figura 1a, cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte izquierda del cilindro. La posición de la válvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del orificio de expulsión o conducto de salida. El movimiento del pistón acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las posiciones relativas del pistón y la válvula son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la válvula de corredera al volante.

En la segunda posición, que se muestra en la figura 1b, el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de válvulas.

Según se mueve el pistón hacia la derecha a causa de la presión del vapor en expansión, como se muestra en la figura 1c, la caja de válvulas, que contiene vapor, se conecta al extremo derecho del cilindro. En esta posición la máquina está preparada para iniciar el segundo tiempo del ciclo de doble acción. Por último, en la cuarta posición (figura 1d), la válvula cubre de nuevo los orificios de ambos extremos del cilindro y el pistón se desplaza hacia la izquierda, empujado por la expansión del vapor en la parte derecha del cilindro.

El tipo de válvula que aparece en la figura es la válvula simple de deslizamiento, la base de la mayoría de las válvulas de deslizamiento utilizadas en las máquinas de vapor actuales. Este tipo de válvulas tienen la ventaja de ser reversibles, o sea, que su posición relativa al pistón se puede variar cambiando la porción de la excéntrica que las mueve, tal y como se muestra en la figura 2. Cuando se mueve la excéntrica 180 grados, se puede invertir la dirección de rotación de la máquina.

La válvula de deslizamiento tiene no obstante un buen número de desventajas. Una de las más importantes es la fricción, causada por la presión del vapor en la parte posterior de la válvula. Para evitar el desgaste que causa esta presión, las válvulas de las máquinas de vapor se suelen fabricar en forma de un cilindro que encierra el pistón, con lo que la presión es igual en toda la válvula y se reduce la fricción. El desarrollo de este tipo de válvula se atribuye al inventor y fabricante estadounidense George Henry Corliss. En otros tipos de válvulas, su parte móvil está diseñada de forma que el vapor no presione directamente la parte posterior.

La unión entre el pistón y la válvula que suministra el vapor es muy importante, ya que influye en la potencia y la eficiencia de la máquina. Cambiando el momento del ciclo en que se admite vapor en el cilindro puede modificarse la magnitud de la compresión y la expansión, consiguiéndose así variar la potencia de salida de la máquina. Se han desarrollado varios tipos de mecanismos de distribución que unen el pistón a la válvula, y que no sólo permiten invertir el ciclo sino también un cierto grado de control del tiempo de admisión y corte de entrada del vapor. Los mecanismos de distribución por válvulas son muy importantes en locomotoras de vapor, donde la potencia que se requiere de la máquina cambia con frecuencia. El esfuerzo alcanza su punto máximo cuando la locomotora está arrancando y es menor cuando circula a toda velocidad.

Un componente importante de todos los tipos de máquinas de vapor de vaivén es el volante accionado por el cigüeñal del pistón. El volante, una pieza por lo general pesada de metal fundido, convierte los distintos empujes del vapor del cilindro en un movimiento continuo, debido a su inercia. Esto permite obtener un flujo constante de potencia.

En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina se puede detener cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el cilindro se encuentra en esta situación, se dice que el motor está en punto muerto y no se puede arrancar. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones. La manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos cigüeñales con el volante de la forma que se muestra en la figura 3. Para conseguir un equilibrio mayor se puede utilizar una máquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ángulos de 120 grados. El acoplamiento de los cilindros no sólo elimina las dificultades de arranque sino que permite diseñar plantas de generación con un funcionamiento más fiable.

Los cilindros de una máquina compuesta, al contrario que el de una de un solo cilindro, se pueden mantener próximos a una temperatura uniforme, lo que aumenta la eficiencia de la máquina.

Un avance en el diseño de las máquinas de vapor fue la máquina de flujo unidireccional, que utiliza el pistón como válvula y en la que todas las partes del cilindro permanecen aproximadamente a la misma temperatura cuando la máquina está en funcionamiento. En estas máquinas el vapor se mueve solamente en una dirección mientras entra en el cilindro, se expande y abandona el cilindro. Este flujo unidireccional se consigue utilizando dos conjuntos de orificios de entrada en cada extremo del cilindro, junto con un único conjunto de orificios de salida en la parte central de la pared del cilindro. La corriente de vapor que entra por los dos conjuntos de orificios de entrada se controla con válvulas separadas. Las ventajas inherentes a este sistema son muy considerables por lo que este tipo de máquina se utiliza en grandes instalaciones, si bien su coste inicial es mucho mayor que el de las máquinas convencionales. Una virtud de la máquina de flujo unidireccional es que permite un uso eficiente del vapor a altas presiones dentro de un único cilindro, en lugar de requerir un cilindro compuesto.