FÍSICO MATEMÁTICO 2011: TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA

Hola somos los alumnos Alejandro Guggeri, Kevin Russo y Diego Rodriguez del grupo FM2. Aqui vamos a añadir mas información y explicar mas sobre el funcionamiento de los trenes de levitación magnética.

Llamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un dado material puede, literalmente, levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, propiedad inherente a 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 no solamente son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad de los superconductores de rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior; de manera que si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. Hoy día el uso más extendido del fenómeno de levitación magnética se da en los trenes de levitación magnética. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril (algunos de estos trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros pueden levitar hasta 15 cm) e impulsarse a lo largo de un carril-guía. Si bien existen otras aplicaciones como, por ejemplo, las montañas rusas de levitación magnética o, lo que en la actualidad se encuentra bajo investigación, la propulsión de naves espaciales mediante este mismo fenómeno (lo que se menciona más adelante), estas se basan en los mismos principios que los trenes tanto para mantenerse levitando como para impulsarse a lo largo de un carril-guía. Por esta razón este trabajo se centrará en los trenes de levitación magnética y más aún, en el principio de funcionamiento de estos, dándole menos importancia a otros aspectos como: impacto ecológico, viabilidad económica (excepto en el caso de la propulsión de naves espaciales, donde se convierte en tema prioritario), confort, tendido estratégico de vías, diferentes diseños, etc.

A continuación se exponen los cuatro principios básicos por los cuales funciona un tren maglev.

1. Principio de levitación magnética 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 un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica).

1.1. EMS: Suspensión electromagnética 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. 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. Por no necesitar imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración. Aún así los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad.

1.2. EDS: Suspensión Electrodinámica. La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos. 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. Este sistema permite levitaciones de hasta 15 cm, lo cual supera por mucho al sistema EMS. Esto contrasta con el sistema EMS, en el cual el campo magnético usado para la levitación, guía y propulsión del tren, se concentra en la brecha entre el vehículo y el carril-guía.

2. Principio de guía lateral: Los maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir. En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren.

3. Principio de propulsión Un tren maglev es propulsado mediante un motor lineal.

3.1. LSM: Motor Lineal Síncrono. Este sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas sobre la vía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada. El rotor esta compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS. Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es proveída por las vías.

4. Mecanismo de frenada: El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. En condiciones de emergencia, el motor lineal puede desacelerar al tren a 3,5 m/s aproximadamente. En un tren con EDS, el tren dejará de levitar también aproximadamente a unos 10 Km/h (aunque no de manera voluntar ia), momento en que las ruedas neumáticas entran en funcionamiento y el tren utiliza entonces frenos hidráulicos para detenerse. La Inductrack es esencialmente un sistema EDS que, en vez de materiales superconductores, utiliza imanes permanentes.

Ordenación Halbach (Halbach array): Como en el sistema EDS, la levitación es generada por las fuerzas repulsivas entre el campo magnético de los imanes en la ordenación Halbach y el campo magnético inducido en la vía conductora por el movimiento de los imanes (ya que estos ocupan el lugar de los superconductores en el sistema EDS). Como resultado de utilizar imanes permanentes, la levitación en un tren Inductrack es independiente de cualquier fuente de energía, en contraste con los complejos electroimanes en el sistema EMS o los costosos equipos criogénicos en el EDS.

Aquí en esta presentación podemos apreciar el funcionamiento de dichos trenes:

Este video hace referencia a la diapositiva cuatro de la presentacion anterior. Explica como, por medio de el efecto Meissner, un superconductor es enfriado es capaz de levitar.

Modelización de dichos trenes:

Estas son algunas fotos de el MagLev de China (431Km/h). Mostraremos fotos de las estaciones, del tren funcionando, del recorrido y de como son los frenos.