martes, 24 de febrero de 2015

POTENCIA Y PAR: QUÉ SON Y PARA QUE SIRVEN (I parte)

Durante la última semana, y además compruebo que es un tema con constantes "discusiones" entre los lectores del blog, ha habido especial debate sobre motores de 4 ó 6 cilindros. Intentaré aclarar un poco los conceptos dedicando 2 entradas consecutivas a alguna de las magnitudes físicas que definen un motor cuando se ensaya. Concretamente voy a tratar del par y de la potencia.

¿QUÉ QUIERO, PAR O POTENCIA?
¿Qué se prefiere un motor que entregue mucho par u otro que tenga una gran cifra de potencia máxima? Se trata de una discusión común entre aficionados a los motores. Por mi parte en el blog también he tratado periódicamente estos conceptos. Recomiendo leer "potencia del tractorpara enlazar con la actual entrada.
Para trabajar una parcela con una vertedera de 6 cuerpos se necesita “una gran fuerza” que venza la oposición de la tierra y así poder avanzar. ¿De donde proviene la fuerza?, el tractor debe vender la resistencia con el movimiento de rotación de las ruedas trasera, es decir con el par de giro de las ruedas. Pero ¿quién vence la resistencia del arado?, ¿es el par motor o la potencia motor? ¿Podría arar un tractor con motor “ridículo” de ciclomotor de 50 cm3?

momento, par o “fuerza de giro”: El Par Motor
La fuerza es al movimiento rectilíneo como el par lo es al movimiento giratorio. Si fuerza es lo que se necesita para arrastrar un bloque de piedra por el suelo, par sería lo que se necesita para mover una noria. La diferencia no es pequeña, en el primer caso sólo es necesaria la fuerza “del músculo”, en el segundo es muy importante la distancia a la que está aplicada respecto del eje de giro.
Momento de una fuerza (torque): Se trata de una magnitud vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento por la fuerza.
En el caso de un motor el valor del par dice con cuánta fuerza es capaz de hacer girar el motor o cuánta fuerza se puede sacar de ese giro.
En el motor de un tractor los movimientos rectilíneos de los pistones, se transforman en el cigüeñal en un movimiento rotativo y que se transmite a la transmisión como par y que es el resultado del producto de la fuerza centrifuga por el radio del volante de inercia y que se mide en el SI como Newton * metro (Nm)
Misma fuerza, diferente par (F. Fiatagri)


PAR Y TRABAJO: ANALOGIAS Y DIFERENCIAS
Ojo con los conceptos de “par” y “trabajo” que lleva a confusiones ya que ambos son el producto de fuerza * distancia
El Par se mide en N*m y realiza un trabajo W que se expresa en Julios (J) (energía que es el producto N*m) pero el trabajo es potencia por tiempo  W = P*t = F*v*t = F*d es decir, fuerza * distancia y aquí puede venir la confusión pues tienen unidades iguales pero en absoluto son conceptos equiparables. La diferencia es que para que la fuerza ejerza trabajo tiene que haber un desplazamiento en la dirección de la fuerza. Es decir el momento es una magnitud vectorial mientras que la energía es escalar.
En el motor del tractor cada dos vueltas se aporta combustible (4 tiempos) y el trabajo es W = M*2*2π (J); Siendo M el valor del Par motor (Nm), es decir que el trabajo es directamente proporcional al par motor

¿Qué es la Potencia?
Desarrollando, y midiendo, una Fuerza (Fiatagri)
La potencia mide la capacidad para realizar un trabajo en un tiempo determinado.
Imagínese que tenemos que hacer el siguiente trabajo: subir al pajar 10 sacos de paja.
El mismo trabajo se puede hacer o bien subiendo los 10 sacos en 1 viaje (habrá que ser muy fuerte para hacerlo pero alguno podría hacerlo), o se pueden subir sacos de 5 en 5 (2 viajes), o una tercera opción subir los sacos de 2 en 2 (5 viajes) o bien optar por dar más viajes y hacerlo de 1 en 1 (10 viajes) o ....
El trabajo realizado es el mismo, subir 10 sacos, pero empleando un tiempo diferente, es decir la potencia necesaria es diferente. Si se supone que el tiempo en cada viaje es independiente del número de sacos entonces concluimos que para la primera opción, subir los 10 sacos en 1 viaje, necesitamos a alguien muy potente (un tractor de enorme potencia), y sin embargo para subir los 10 sacos en 10 viajes, a saco por viaje, nos basta con alguien no excesivamente fuerte (un pequeño tractor)
La potencia desarrollada en el caso de 1 viaje con 10 sacos es 2 veces superior a la 2ª alternativa, 5 veces superior a la 3ª y 10 veces a la última.
En el caso de un motor el concepto es el mismo: Cuanta mayor potencia desarrolle un motor, en menor tiempo será capaz de realizar un trabajo determinado.
La unidad de potencia (SI) es el vatio (W), aunque como en motores es una unidad demasiado pequeña, se suelen usar el kilovatio (kW= 1.000 W); y en el mundo agrícola tenemos inculcado el Caballo de Vapor (CV) = 735,45 W (el Caballo de vapor “inglés”, es ligeramente diferente, HorsePower (HP) = 745 W)
Potencia = Fuerza * velocidad (Fiatagri)
Un ejemplo más, si en el caso de los sacos no hubiésemos utilizado el mismo tiempo en cada viaje podría darse el caso de que por ejemplo subir los 10 sacos en 1 viaje se tardase 10 minutos, 1*10 = 10´; mientras que en el último caso cada saco se sube en 1´, luego 10*1 = 10´. Es decir exactamente el mismo tiempo: ahora lo que se ve es que se ha realizado el mismo trabajo en mismo tiempo, es decir igual potencia (que recuerdo que es el producto de fuerza por velocidad), ¿qué significa esto?, pues que no importa como conseguir la potencia ya que se puede conseguir vía fuerza o vía velocidad.

ENTONCES, VUELVO A PREGUNTAR, ¿POTENCIA O PAR?
En el apartado anterior queda claro, espero, que la potencia es la cantidad de trabajo que puede efectuar un cuerpo humano o una máquina.
La ecuación que relaciona par motor y potencia es, P=M*w siendo w la velocidad angular (en rad/s), o lo que es lo mismo la Potencia desarrollada es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión. A mayor velocidad de giro o revoluciones mayor potencia. Esta relación se mantiene hasta alcanzar el motor el máximo número de revoluciones para el que se proyecta.
Si nuestro motor da un par de 1000 Nm a 2.000 rpm (209 rad/s) origina una potencia P=1000 x 209 = 209.000 W = 280 CV
Un F-1 no tiene más par que un tractor de 200 CV, pero el F-1 llega casi a 1000 CV
Conceptos a tener muy claros: Es mejor que nuestro motor tenga “mucho par” o bien “mucha potencia” Quizá lo más importante para responder a esa pregunta que se suele hacer mucha gente es tener claro este concepto: La potencia se conserva, a excepción de las pérdidas por rozamiento mientras que el par se va transformando cada vez que hay un engranaje de por medio.
Si no hay desplazamiento la potencia es 0 (Fiatagri)
Este concepto es clave. Mientras que la potencia se conserva incluso al pasar del movimiento lineal de los pistones al giratorio del cigüeñal o posteriormente de la potencia transmitida al suelo por la rueda que vuelve a convertir el movimiento giratorio en lineal, el par va cambiando “sin ton ni son”. La potencia es la misma a la salida del cigüeñal que a la salida de la caja de cambios e incluso una vez puesta en el suelo por la rueda.
Imagínese un tractor de 50 CV frente a uno de 100 CV, el de 100 CV puede poner el doble de potencia en el suelo que el de 50 CV pero sin embargo ese razonamiento no vale para el par. Claro seguro que ahora el lector está pensando entonces lo que de verdad me importa es el par. Sin embargo pensemos en nuestro “tractorcito de 100 CV” que puede tirar de un remolque de 20000 kg, ahora pongamos el McLaren de Fernando Alonso de 1000 CV a tirar del mismo remolque…. ¡ni lo mueve!, luego ¡la potencia no importa, si no el par!

¿INDURAIN O CONTADOR?
Parece que Indurain tenía “más motor” que Contador, además analizando la forma de subir el “tourmalet” por ambos ya indica algo. Indurain iba dando pocas pedaladas, Contador da muchas más. Indurain podía, quizá, subir con un plato grande y dar 30 pedaladas/min, Contador opta por un plato pequeño y da, por ejemplo, 45 pedalas/min, pero el resultado es el mismo: ambos son unos impresionantes campeones. P = M*w La velocidad angular no es la misma, tampoco el par, pero el producto es igual
Indurain sería un “motor diesel” con mucho par y pocas revoluciones. Contador, “motor de gasolina”, muchas revoluciones pero poca fuerza. Ambos pueden ganar.
Un par motor de 1000 Nm (100 kgm) significa que hace una fuerza de 100kg en un eje, con una palanca de 1 metro.
Para hacer ese mismo par en una bicicleta y pensando que la fuerza máxima que puede hacer un hombre son 10 kg habría que poner unas bieletas de 10 m y siguiendo con el ejemplo pero trasladándolo al caso de un cigüeñal de un motor con 20 cm de radio (R en la figura) la fuerza sería de 100/0,2 = 500 kg

¿Algo aclarado?
En 1 semana nos vemos con la continuación a la entrada. Mientras tanto recomiendo leer las entradas referencia al concepto de transmisión: 

15 comentarios:

  1. ​Helio,

    fantástica entrada!!!

    Ya teníamos ganas de una entrada de este tipo y no tanta publicidad de tractores nuevos ni números de ventas. Con estas entradas si merece la pena seguir el blog.

    ¡Enhorabuena​!

    ​Saludos.
    Twins' Farm
    www.twins-farm.com​

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    1. Por supuesto muy agradecido al comentario, pero no "disimuléis" que sé que "os pone" el tema de ventas y ranking entre fabricantes.
      Pero si es cierto que todo cansa y yo también deseaba volver a la "divulgación"

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  2. Me ha molado un montón esta entrada Helio.
    Lo has explicado perfectamente para todos aquellos que no entendemos bien estos dos conceptos.
    Por cierto, todavía no ha habido nadie que iguale el par de Indurain, aupa Indurain.
    Un saludo

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    1. Gracias Ángel, es cierto que siempre están dando vueltas en las "tertulias de café" estos conceptos de par o potencia. Lo importante es quedarse con la idea de que "el par se transforma y la potencia no". ¿Indurain o Contador?.... bueno en los tiempos de Merckx, Ocaña... se valoraban los "grandes cuerpos", como Indurain. Hasta entonces los "pequeños" como Van Impe optaban a ganar la montaña pero no se les veía como ganador de una grande. Llegó "el pirata" y demostró lo contrario. Luego los cuerpos fueron "menguando" y aparecen portentos físicos como Contador. ¿Con quien me quedo?, amo tanto el ciclismo que no me pronuncio. Con ver a alguien coger una bicicleta y ponerse de pie ante un repecho en el Tourmalet o Alpe D´huez para mi ya es un héroe: Non Plus Ultra

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  3. Me gusta mucho esta entrada Helio,mezclando comentarios técnicos con otros del dia dia con ejemplos muy claros de chuparse el dedo,muchas gracias por ello,un saludo

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  4. Buenas Tarde Helio: En primer lugar gracias por preguntarme cómo va todo. Va tirando como se dice en mi tierra.
    Magnífica entrada. Una perfecta clase de Física, en concreto de trabajo y energía, con todas las de la ley.Además es una perfecta exposición de los conceptos anteriores aplicados a la vida real,en concreto, a la maquinaria agrícola.
    Has explicado minuciosamente y de forma muy profesional, como lo que eres,un tema que se debería saber por parte de los usuarios de tractores. Claro existe la contra de que hay que saber matemáticas, dimensiones y unidades y física aplicada, pero eso es así. Hay una frase muy intuitiva en el artículo que aclara muy bien el concepto de par o torque: "El par dice con cuánta fuerza es capaz de girar un motor o cuanta fuerza se puede sacar de ese giro" A mí me lo aclara todo.
    En resumen me aclaro de muchas ideas confusas que tenia, no en la teoría, sino al aplicar ésta, y me han quedado muy claras. Es sencillamente una clase magistral, sí señor.
    No puedo por menos que felicitarte y darte las gracias por tan estupenda entrada. Me ha encantado. Espero con impaciencia la siguiente que anuncias. Muchas gracias y un saludo de tu amigo Francisco José.

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    1. Pues gracias a José y Francisco por tan "efusivas" felicitaciones.
      Un saludo

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  5. Helio, dos preguntas más:

    ¿qué significa reserva de par de un 33%, por ejemplo?

    ¿Qué significa intervalo de par constante 1.600-1.100 rev/min? Así es como viene en mi catálogo.

    Saludos.
    Twins' Farm
    www.twins-farm.com

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    1. Esas dos preguntas, con los gráficos del motor se ve estupendamente y pienso que no por tener mucho par un motor es mejor, pues al sufrir una sobrecarga si el motor se va abajo aunque tenga mucho par como presumen los del grupo New Holland ese motor baja tanto de revoluciones que se calaría y creo que no se podría recuperar.
      Con este comentario puede que me meta en camisa de once varas.
      Salu2.

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    2. Hola, mira la reserva de par es la capacidad de la que dispone un motor para aguantar los aumentos de carga.
      Responde a una fórmula matemática que dice que la reserva (%) es el cociente entre la diferencia del Par máximo y el Par a régimen nominal dividido por el Par a régimen nominal. Un tractor que como vosotros decís tiene una reserva del 33 % sería por ejemplo que el par máximo fuese de 410 Nm y el par a régimen nominal 307, entonces la reserva es (410-307)/307 = 33 %
      En cuanto al intervalo de par constante es una característica que dice mucho de un motor. Lo ideal de un buen motor de tractor es que tenga un par muy plano. Cuanto mayor sea la meseta mejor responde el motor, por eso un par constante entre 1600 y 1100 revoluciones significa que en ese intervalo de 500 rpm el par se mantiene constante (no así la potencia, está claro) y por lo tanto la siguiente pregunta es ¿punto óptimo para conducir?, pues yo propondría que si la transmisión fuese CVT con gestión automática pondrá el motor cercano a las 1200 rpm, pero si es un powershift lo ideal sería acercarse también a las 1200 pero como te queda muy poca reserva de par (me atrevo a asegurarlo sin ver la curva) pues te irás a las 1400-1500. No es lo habitual pues casi seguro que si preguntas a tractoristas te hablarán de 1600 e incluso 1700-1800 pero te aseguro que pasan de los 11-12 L/h así que ellos mismos.

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    3. ​Helio,

      gracias por la respuesta... me ha quedado muy claro. Pero ahora me surge otra pregunta: ¿por qué con una CVT (y el mismo motor) podría trabajar a 1200rpm y con una powershift tendría que irme a 1600rpm para un mismo trabajo?​

      Gracias
      Twins' Farm

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    4. Pues porque presumo "que no somos buenos conductores". La CVT como sabes, en conducción automática, gestiona la mejor combinación motor-transmisión y además se mueve en el plano "régimen-velocidad de avance", una powershift no deja de ser una transmisión "de toda la vida" pero con embrague múltiple y la posibilidad del cambio en carga, pero se mueve en una línea "régimen-velocidad de avance". Si eres muy buen conductor (Fernando Alonso usa powershift) serás capaz de elegir constantemente la mejor relación y mantenerte en el régimen óptimo para consumir menos y entonces puedes llegar al "límite" e igualar a una CVT, pero como eso no es posible (entre otras cosas por la enorme concentración que te exige) es por lo que te cubres y aumentas tu "colchón" y te vas a las 1500 o 1600.

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  6. Y la reserva de par, ¿qué es?

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    1. El concepto de reserva de par lo quiero tratar en la siguiente entrada pero si miras unos "comentarios" más arriba verás que ya he puesto el concepto con algún ejemplo.

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  7. Es cierto que un motor trabajando a pocas revoluciones como a 1200 rpm o 1500 rpm se apereza y luego cuando le pidas que tire no tirará.
    Salu2.

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