Mecánica para principiantes

Cuando nos sacamos el carnet de conducir, el libro de teoría nos daba una introducción a la mecánica, la responsable de que el automóvil se mueva por sí mismo (de ahí la palabra). Para realizar conducción eficiente es imprescindible entender cómo funcionan las piezas responsables del movimiento. Lo explicaré de la forma más sencilla posible, pero cualquier conductor está invitado a leer esta entrada y tal vez aprender algo nuevo.

Desde que echamos gasolina o gasóleo al depósito, hasta que el automóvil se pone en movimiento, se hacen varias transformaciones para convertir la energía del combustible en energía cinética o movimiento.

El motor

Existen dos tipos de motores principales: de combustión (diesel) y de explosión (gasolina). En un motor diesel, se comprime una mezcla de aire y gasóleo hasta el punto en el que prende y se aprovecha la energía para mover uno o más pistones. Por otro lado, el motor de gasolina comprime una mezcla de aire y gasolina, pero utiliza chispas producidas por las bujías para que la mezcla explote y utilizar esa energía para mover los pistones.

Los pistones se mueven de forma lineal, la unión biela-cigüeñal convierte ese movimiento en circular, que es el que se aprovecha para mover el coche. Fíjate en la animación de la derecha: el pistón es de color azul, la biela es la roja y el cigüeñal es la pieza amarilla.

Una vez tenemos movimiento, hay que transmitirlo a las ruedas: esa es la misión de la transmisión, que consta de tres elementos básicos: embrague, caja de cambios y diferencial.

Embrague

Al principio, lo más normal es pensar que el embrague es un pedal, pues no, es un disco de fricción y se encarga de empalmar el motor a la transmisión. Cuando se inserta una marcha, hay que “pisar el embrague”. El pedal lo que hace es separar el mencionado disco del motor, para no dañar la caja de cambios al cambiar. Al soltar el pedal, el disco se une al motor, transmitiendo el movimiento a la caja de cambios.

No transmite el 100% del movimiento a la transmisión, es más bien un 98-99%. Cuando el pedal está a medio pisar, el contacto embrague-motor es parcial, es el momento en que “patina el embrague”. En esta situación, la pieza sufre un mayor desgaste, porque su movimiento no es solidario al del motor, y ese desfase se traduce en rozamientos. Por eso, cuando se ha hecho patinar el embrague podemos percibir un olor a quemado, que no significa que hayamos roto la pieza, pero es deseable que no ocurra con frecuencia.

Caja de cambios

Esta parte es muy importante. El eje primario viene directamente desde el motor (cigüeñal), que gira a un número de revoluciones determinadas: la lectura que te ofrece el tacómetro del coche. La caja contiene un segundo eje, llamado secundario, rodeado de varios engranajes de distinto tamaño. Es muy parecido a una bicicleta: la rueda trasera tiene varios piñones, cada uno de diferente tamaño y con distinto número de “dientes”. Un piñón más pequeño transmite más revoluciones por minuto que uno más grande.

En cuanto al automóvil, lo normal es tener de 1 a 6 velocidades. La primera, segunda y tercera son marchas cortas, y la cuarta, quinta y sexta son marchas largas. En las relaciones cortas el coche tiene más capacidad de aceleración, pero consume más combustible: el motor tiene que girar más revoluciones para que las ruedas giren a determinada velocidad. Piensa que cada revolución por minuto implica más inyecciones de combustible, es decir, mayor consumo. Uno de los pilares fundamentales de la conducción económica se sustenta sobre esta idea.

Por lo tanto, hay que procurar conducir con la marcha más larga que sea posible, pero hablaremos más adelante sobre esto. La “salida” de la caja de cambios es el árbol de transmisión, que llega hasta el diferencial. En los modelos de propulsión trasera, el árbol de transmisión encaja con el eje trasero, y en los de tracción delantera, el árbol de transmisión no sobrepasa la caja de cambios. Un coche de tracción integral dispone de 2 árboles de transmisión y 2 diferenciales.

Diferencial

Una vez que la caja de cambios transforma la velocidad de giro del motor a otra diferente, el diferencial se ocupa de transmitir ese movimiento finalmente a las ruedas. 

El diferencial transforma el movimiento longitudinal en transversal. Cuando uno comprende el funcionamiento de esta pieza, puede comprender otras aplicaciones del diferencial muy utilizadas en todoterrenos y coches de tracción integral, pero eso es otra historia.

Aunque las relaciones largas de transmisión hagan que el motor de menos vueltas teóricas que las ruedas, lo cierto es que el grupo cónico desmultiplica las revoluciones para entregar más par a las ruedas, y así mantener una relación adecuada entre par y velocidad. Si no, en 4ª velocidad se podría alcanzar una velocidad teórica de 270 a 540 Km/h con un turismo de tipo medio, pero con una fuerza efectiva en las ruedas muy débil.

Una vez que el eje está en movimiento, la conexión a las ruedas es directa, ya no hay más intermediarios.

Rozamiento y derroche

Esta es la parte más desagradable. Las leyes de la física y la química son inalterables: los motores “desperdician” gran parte del combustible. El motor, como bien sabes, produce ruido, vibraciones y calor. La energía no se crea ni se destruye: se transforma. Parte de la energía calorífica del combustible se pierde en calor, vibraciones y ruido. Sin embargo, esas pérdidas son muy superiores a las deseables.

En conducción urbana y con motor de gasolina, sólo pasa a la transmisión el 21% de la energía del combustible, incluyendo pérdidas propias y el giro en vacío o ralentí. En punto muerto, el motor consume el combustible necesario para permanecer en movimiento, de lo contrario se pararía.

A través de esta explicación he hablado de engranajes, discos, ejes… Todas esas piezas están sometidas a la fuerza del rozamiento: el contacto de unas con otras y los lubricantes reducen en un 6% la fuerza del motor. Es decir, a las ruedas sólo llega un 15% del total de la energía del combustible, en conducción urbana. En conducción extraurbana, el mejor rendimiento posible está alrededor del 38%.

En números, si un turismo de gasolina gasta 10 litros cada 100 Km en ciclo urbano, se “pierden” 8,5 litros. ¿Estamos tirando el dinero cada vez que usamos un coche? Lamentablemente si. Es imposible una eficiencia del 100% en un motor de combustión o explosión interna, aunque con motores cerámicos se ganaría bastante. Imagínate además la energía que se desaprovecha si no se conduce como es debido, el despilfarro es superior si cabe.

Los motores eléctricos son el futuro, ya que su eficiencia energética es muy cercana al 100%. En otras palabras, casi toda la energía que reciben en forma de electricidad, la convierten en movimiento.

Resistencias al avance

Olvidemos por un momento las pérdidas de los “ineficientes” motores actuales y pensemos en una pelota. Si le pegamos una patada, recorrerá cierta distancia hasta pararse. ¿Por qué no continua su movimiento eternamente? Por la fuerza del rozamiento. Ya sea por su “choque” con el aire o con el suelo, esta fuerza hace que los cuerpos se paren.

Hay 4 tipos de resistencias:

• Resistencia de rodadura: depende de los neumáticos. Este elemento es flexible, por lo que se deforma. En función de la presión de inflado, tipo de neumático, peso y condiciones del firme, esta resistencia será mayor o menor.
• Resistencia por pendiente: no hay que olvidar la fuerza de la gravedad. Cuando una pendiente es ascendente, el esfuerzo necesario para mantener el movimiento es superior, porque la fuerza de la gravedad atrae al coche con mas “ímpetu” que en llano. A mayor pendiente, mayor esfuerzo, mayor consumo. Por otro lado, cuando la pendiente es negativa o descendente, la gravedad nos ayuda, ya que empuja al coche, en estas condiciones el consumo baja, e incluso puede llegar a ser nulo. ¡Esto es fundamental!
• Resistencia por aceleración: cuando un coche modifica su velocidad, es decir, acelera, requiere más esfuerzo que el hecho de mantener la velocidad actual. A mayor aceleración, mayor esfuerzo. Los motores consumen mucho más combustible cuando aceleran. Compruébalo por ti mismo: ¿qué es más costoso, mover una caja llena de libros desde el reposo o empujarla cuando ya se está moviendo? En cambio, cuando un motor no recibe combustible, deja de acelerar. La velocidad no se mantiene porque las resistencias aplican una aceleración negativa sobre el coche: lo frenan, pero podemos aprovecharnos de eso. A partir de 20 Km/h y sin pisar el acelerador, el consumo es NULO: aunque el motor siga girando, no se inyecta combustible.
• Resistencia aerodinámica: el automóvil en su avance, choca con el aire. Cuanta mayor sea su velocidad, mayor masa de aire tendrá que “apartar” para continuar su camino. Como es lógico, cuanto mayor es la superficie que choca contra el aire, mayor es el esfuerzo necesario para avanzar. ¿Por qué un coche de 100 caballos no puede alcanzar los 200 kilómetros por hora? Porque no puede apartar el aire, le falta potencia. Si hiciésemos eso en la Luna, donde no hay atmósfera y por tanto aire, las velocidades que se podrían alcanzar con un turismo pequeño serían endiabladas.

Las resistencias por rodadura, pendiente y aceleración dependen fundamentalmente del peso del vehículo. Sin embargo, la resistencia aerodinámica depende sobre todo de la velocidad al cuadrado. Es decir, la resistencia a 50 Km/h comparada con la de 100 Km/h no es el doble (como cabe esperar), es cuatro veces superior. La resistencia no es proporcional a la velocidad, por eso, a partir de ciertas velocidades el consumo se dispara.

El punto donde el consumo empieza a aumentar de forma seria viene a coincidir con los límites de velocidad en autopistas y autovías. El principal argumento de los que quieren abolir los límites de velocidad es que esos límites fueron impuestos en los años 70, por la crisis del petróleo, y que los consideran “anticuados”. Pues bien, la resistencia aerodinámica no ha cambiado en absoluto en 40 años, sigue estando ahí.

Conclusiones

Como habrás podido ver, ahora tiene todo más sentido, una vez que comprendes, aunque sea por encima, esta lección de mecánica. Para poder hacer una conducción económica, debemos tener en cuenta lo siguiente:

• Que el motor esté en óptimas condiciones y revisado, para minimizar las “pérdidas” de combustible
• Los neumáticos deben estar en buen estado y con una correcta presión de inflado
• Las bacas y portaequipajes externos aumentan la resistencia aerodinámica
• A mayor velocidad, mayor consumo, siempre
• Hay que procurar conducir con marchas largas, siempre que sea posible
• No exigir al motor más aceleración de la necesaria, basta con pisar el pedal con suavidad para modificar la velocidad. Sólo se debería pisar a fondo para adelantar o salir de una situación peligrosa
• Circular a velocidad constante reduce el consumo, porque no aceleramos
• Las pendientes descendentes en muchas ocasiones permiten levantar el pie del acelerador para que el coche siga avanzando
• Superar los límites de velocidad está fuera de lugar para ahorrar combustible. Existe un mito entre algunos conductores, que cuanto más rápido circulen, más inercia acumulan y por tanto, mantener la velocidad es menos costoso. Esto sólo es cierto a medias, y es algo discutible en su totalidad.