Volante de inercia1Volante de inerciaVolante de inercia en una antigua forja en Witten (Alemania).Volante de inercia usado en diversos turismos defabricacin europea.En mecnica, un volante de inercia o volante motor esun elemento totalmente pasivo, que nicamente aporta alsistemaunainerciaadicionaldemodoquelepermitealmacenarenergacintica.Estevolantecontinasumovimiento por inercia cuando cesa el par motor que lopropulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone alas aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Asseconsiguenreducirlasfluctuacionesdevelocidadangular.Esdecir,seutilizaelvolanteparasuavizarelflujo de energa entre una fuente de potencia y su carga.En la actualidad numerosas lneas de investigacin estnabiertasalabsquedadenuevasaplicacionesdelosvolantes. Algunos ejemplos de dichos usos son: Absorber la energa de frenado de un vehculo, demodo que se reutilice posteriormente en suaceleracin (KERS). Como dispositivos para suavizar el funcionamientode instalaciones generadoras de energa elctricamediante energa elica y energa fotovoltaica, ascomo de diversas aplicaciones elctricas industriales. En los ferrocarriles elctricos que usan desde hacemucho tiempo un sistema de freno regenerativo quealimenta la energa extrada del frenado nuevamente alas lneas de potencia; con los nuevos materiales ydiseos se logran mayores rendimientos en talesfines.Comportamiento fsicoIntroduccinAmododebreveintroduccin,veamosquaspectopresenta la frmula de la energa almacenada en un rotorcomoenergacintica,o,msconcretamente,comoenerga rotacional:dondees la velocidad angular, yeselmomentodeinerciadelamasasobreeleje de rotacin.Veamosahoraunospocosejemplosdemomentosdeinerciaquenospuedenserdeutilidadalahoraderealizarsencillos clculos para sistemas simplificados:Volante de inercia2 El momento de inercia para un cilindro slido es:, para un cilindro de pared delgada:, y para un cilindro de pared no-delgada:. y para un cilindro con eje de rotacin perpendicular a la generatriz pasando por el centro de la longitud:donde m denota la masa, r denota el radio y L denota la longitud del cilindro.Volante de inercia simplificadoEstudiemos ahora el comportamiento fsico de un volante de inerca desde un punto de vista simplificado:Esquema simplificado de un volante de inerciaSea:elmomentodeinerciadelvolante.la coordenada de posicin delvolante.elmomentodetorsindeentradacorrespondienteaunacoordenada.elmomentodetorsindesalidacorrespondienteaunacoordenada.lavelocidadangulardeentrada correspondiente a una coordenada.la velocidad angular de salida correspondiente a una coordenada.Tomandoarbitrariamentecomopositivoycomonegativo,obtendremoslasiguienteecuacinparaelmovimiento del volante:o lo que es lo mismo,Es decir, una ecuacin diferencial de segundo orden que podemos resolver aplicando las tcnicas apropiadas (tantoparaecuacionesdiferencialeslinealescomonolineales)unavezconocidaslafuncionesdevariacindelosmomentos de torsin de entrada y salida.Engeneral,ypuedendependertantodelosvaloresdeycomodelosvaloresdey.Noobstante,normalmenteelmomentodetorsindependenicamentedeunodelosdosparmetros,siendofrecuentementeeldecisivo.Dehecho,losfabricantesdemotoreselctricos,porejemplo,hacenpblicasparacada uno de sus diferentes modelos de motor, una serie de grficas en la cuales se recogen la caractersticas de el parmotor y de la velocidad.En un anlisis menos exhaustivo del sistema formado por el volante, podramos suponer que el eje es rgido a torsiny en consecuencia tomar:por consiguiente la ecuacin anterior quedara simplificada del siguiente modo:Volante de inercia3No obstante, en la prctica no resulta de gran inters conocer los valores instantneos de la variables cinemticas sino que la atencin se centra fundamentalmente en conocer el comportamiento global del volante de inercia. Es decir,culseraunmomentodeinerciaapropiado?culessonlascaractersticasdelfuncionamientoresultantedelsistema?Trataremos ahora de abordar dichas cuestiones de una situacin hipottica que nos ayude a profundizar en el tema,para ello centremos primeramente nuestra atencin en el siguiente diagrama:Vamos a describir paso por paso la interpretacin que se debe realizar del diagrama anterior: A la entrada una fuente de potencia somete al volante a un momento de torsin (en este caso constante) mientras el eje gira dea. Al haber tomado arbitrariamentecomo un momento torsor positivo lo representamos ascendentemente en eleje de ordenadas del diagrama. De la ecuacin estudiada arriba para el movimiento del volante deducimos queser una aceleracin positiva yconsecuentemente la velocidad del eje aumentara dea. A continuacin, el eje se desplazar deacon T=0 de modo que nuevamente en concordancia con laecuacin vistaser nula. Por tanto. Por ltimo dehasta, se aplica un momento de torsin de salida (tambin constante en este caso) que harque se pierda velocidad en el eje pasndose dea. Al haber tomado arbitrariamentecomo un momentotorsor negativo lo representamos descendentemente en el eje de ordenadas del diagrama.Para el caso hipottico estudiado, la energa transmitida al volante (trabajo entrante) es cuantitativamente equivalenteal rea del rectngulo delimitado poryes decir:La energa extrada del volante (trabajo saliente) es cuantitativamente equivalente al rea del rectngulo delimitadopory, o sea:Sisuponemoselsistemaestudiadocomounodepropiedadesidealesenelcualnoexistafriccin,lasequenoseproducenprdidasasociadasadichofenmeno,podemosentoncesdetallarlatressituacionesposiblesquepuedendarse: y por tanto. y por tantoque es el caso de ciclos peridicos. y por tanto.Siestudiamoselcasohipotticobajoelprismadelasenergascinticasplanteandounbalanceparalasmismas,obtenemos un anlisis igualmente vlido en el cual podemos apreciar: Parala velocidad del volante sery la ecuacin de su energa cintica: Parala velocidad del volante sery la ecuacin de su energa cintica: En consecuencia, el cabio de energa cintica es:Es necesario ahora que se ha explicado este ejemplo sencillo poner de manifiesto que la mayora de las funciones de"momentodetorsin(parmotor)-desplazamiento"quenosencontramosenlavidarealyportantoenlasaplicacionesingenieriles,sondeunadificultadextremayportantodebenserintegradaspormtodosnumricosaproximados. Un ejemplo de ello podra ser la siguiente grfica:Volante de inercia4Observese que fruto de la integral aproximada de dicha curva para un ciclo completo obtenemos como resultado unmomento de torsin mediodisponible para impulsar una carga.Existendiversosalgoritmosdeintegracinquepodemosutilizarparacalculardichasaproximacione,entrelasmstpicasseencuentralaregladeSimpsonquedestacaporsusencillez(implementadaenmuchascalculadorasprogramables) y la regla trapezoidal.Paraelclculodevolantesdeinerciasesuelenutilizardosparmetrosauxiliaresdegranrelevancia,lavelocidadangular nominaly el coeficiente de fluctuacin de la velocidadque se definen:Al definir este ltimo parmetro dividimos entrepara obtener una relacin adimensional que depende ms de laspropiedades del sistema que de la velocidad misma.Con estos nuevos parmetros podramos reescribir el balance que realizamos para la energa cintica dado queyse tiene que resulta:Ecuacin que se usa generalmente para determinar cual debe ser la inercia apropiada para el volante. Esto se debe aque tanto la energa que nos har falta como las revoluciones a las cuales girar el rotor son datos conocidos y portantoloquedebemosdeterminareselcompromisoentreelcoeficientedefluctuacindevelocidadylainerciademodo que no se sufran grandes fluctuacones ni por el contrario sea muy costoso llegar al rgimen de trabajo (lo queimpondra una gran inercia). En la prctica se impone un valor lmite ay de ah se deduce I.Nuevos materialesVolante de inercia de acero usado en un parque elicoen la actualidad.Lacantidaddeenergaquepuedeseralmacenadademanerasegura en el rotor depender del punto en el cual el rotor comienzaa combarse o resquebrajarse. La tensin circunferencial en el rotores un aspecto fundamental en el diseo de sistemas de almacenajede energa mediante volantes de inercia.dondeeselesfuerzoosolicitacinatraccinenlacoronadelcilindroes la densidad del cilindroes el radio del cilindro, yes la velocidad angular del cilindro.Para un diseo de volante de inercia dado, se puede deducir de lasecuaciones expuestas arriba que la energa cintica es proporcionalalcocienteentrelatensincircunferencialyladensidaddelmaterial:Volante de inercia5Esteparmetropuedeserllamadoresistenciaespecficaalatraccinotenacidadespecfica.Aquelmaterialqueposea la mayor tenacidad especfica dar lugar al volante de inercia capaz de acumular mayor energa. Esta es una delas numerosas razones por las cuales la fibra de carbono es un material de tanto inters en la actualidad.ContextoEstos elementos mecnicos son necesarios pues en la mayor parte de las mquinas motrices, el trabajo producido porla expansin del vapor, por la explosin o por la combustin de las mezclas de hidrocarburos, es transmitido por unmecanismo biela-manivela a un rbol animado de movimiento continuo (pinsese por ejemplo en una locomotora devaporoelmotordeunautomvil).Lasdiferentesfasesdelosciclosmotoresnotienenlamismaimportanciaencuanto a la produccin de energa; adems el mecanismo biela-manivela no garantiza un par constante.DiseoPor lo general el volante consiste en una rueda o un disco, de fundicin o de acero, calado en el rbol motor, y cuyasdimensiones estn calculadas de acuerdo con las caractersticas generales del sistema del que forma parte.En los motores de avin, la misma hlice hace las veces de volante de inercia.Aplicaciones Plato de tocadiscos por motor de corriente continua en traccin directa. Algunos tipos de sistemas de alimentacin ininterrumpida utilizan el volante de inercia para almacenar energa. Juguetes: por su simplicidad del mecanismo, suele ser utilizado como parte del motor de los coches de juguete. Prensa mecnica.Referencias Shigley y Uicker. Teora de mquinas y mecanismos. McGraw-Hill. Ramn Moliner, Martell y Rodrguez Torres. Elementos de mquinas. UNED.katherin hurthado Wilson y Sadler. Kinematics and dynamics of machinery. Harper Collins College PublishersEnlaces externos Volante remarcado [1]: Video mostrando la construccin y funcionamiento de un motor de cuatro cilindros decombustin interna (cortesa de Ford Motor Company) Elementos de mquinas y vibraciones (UPNA) [2] Magnetal AB - Giroscpico efecto y el volante - un estudio [3] Magnetal AB - Green Energy Storage System - GESS - Un volante de almacenamiento de energa [4]Referencias[1] http:/ / www. asterpix. com/ console?as=1187647165005-e57383c789[2] http:/ / www. imac.unavarra. es/ web_imac/ pages/ docencia/ asignaturas/ emyv_documentacion. html[3] http:/ / www. magnetal. se/ MagnetalGyro. pdf[4] http:/ / www. magnetal. se/ MGESS.pdfFuentes y contribuyentes del artculo6Fuentes y contribuyentes del artculoVolante de inercia Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=70815154 Contribuyentes: Adrianyuki, Airunp, Allforrous, Alvaro qc, Antonorsi, Biasoli, CommonsDelinker,Diegusjaimes, Greek, Gusgus, Gtz, HiTe, Ingolll, Jkbw, Mpeinadopa, Mutari, Natrix, Racso, Raulshc, RoyFocker, Wolfch, Zeusescudero, 32 ediciones annimasFuentes de imagen, Licencias y contribuyentesArchivo:Schwungrad02.jpg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Schwungrad02.jpg Licencia: GNU Free Documentation License Contribuyentes: Markus SchweissArchivo:P307.jpg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:P307.jpg Licencia: Public Domain Contribuyentes: AdrianyukiArchivo:Volant.JPG Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Volant.JPG Licencia: Public Domain Contribuyentes: AdrianyukiArchivo:volin.jpg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Volin.jpg Licencia: Public Domain Contribuyentes: AdrianyukiLicenciaCreative Commons Attribution-Share Alike 3.0//creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/