EL SUEÑO DEL MOVIMIENTO PERPETUO

 
 

Durante siglos, la humanidad ha acariciado dos sueños: el de la «piedra filosofal», con la que se podría fabricar oro, y el del «elixir de larga vida», destinado a garantizar la eterna juventud.

A comienzos de la Edad Moderna se añadió un tercer sueño a los dos primeros: el del «movimiento perpetuo», o, dicho en latín, perpetuum mobile; es decir, una máquina, un sistema, capaz de producir trabajo (o sea, energía) sin absorberla.

Modelo del perpetuum mobile construido hacia 1500 por Leonardo da Vinci.

Leonardo da Vinci (1452 - 1519), quien, como se sabe, no sólo era un gran pintor, sino también un ilustre científico y gran inventor, fue el primero en intentar construir un sistema que lograra realizar tales aspiraciones, y probablemente no hay ingeniero, que en su juventud no haya tratado de crear, a su vez, un perpetuum mobile.

Todas estas invenciones o mecanismos (sean de un genio como Leonardo o de un estudiante de Escuela Superior con afición por la mecánica) tienen tres características comunes: todas son terriblemente complicadas, razón por la que nunca se llega a comprender de qué se trata con exactitud; los únicos entusiastas convencidos de la utilidad de estos ingenios son sus constructores; y, por último, tales mecanismos prodigiosos no funcionan, o al menos, no funcionan bien del todo.

A decir verdad, no pueden funcionar, lo que hoy se sabe ya con toda seguridad; y tanto es así, que las oficinas de patentes rechazan, sin ni siquiera examinarlos, todos los inventos relacionados con el movimiento perpetuo.

¡Energía de la nada!

¿Acaso hace falta explicar por qué esta idea ha atraído tanto la fantasía humana? i Sería un invento extraordinario! Una maquina que sin gasolina, sin electricidad, sin que se le suministre energía, no sólo funcione, sino que también produzca energía; o, dicho de otro modo, ¡crear energía de la nada!

La rueda de agua, hoy en completo desuso, constituyó en tiempos una fuente de energía de las mas difundidas.

Y así como la piedra filosofal significaba la riqueza sin límites y el elixir de larga vida una salud perfecta, así el perpetuum mobile aseguraría una potencia ilimitada e infinitas posibilidades de hacer la existencia más cómoda y placentera. Y esto porque todo lo que acaece en el mundo requiere un empleo de energía.

 

Nada, absolutamente nada, ocurre en el mundo material sin la intervención de la energía. La energía física produce ciertos efectos sensibles.

A la energía se debe el que, en nuestro cerebro, unas oscilaciones casi imperceptibles de potencial eléctrico de las células nerviosas señalen el ritmo de nuestra actividad cerebral.

En el antiguo Egipto, el transporte de una gran estatua requería el esfuerzo de muchos centenares de esclavos.

También obedece a un efecto energético el que un huracán azote vastas regiones, que una leve brisa arrastre un grano de polen o que unos solidísimos diques cedan a la presión de un río desbordado; se debe a la energía, en fin, el que un leve murmullo llegue al oído. Cuanto mayor es la energía transformada en el proceso, mayores resultan los efectos producidos. Y este principio no sólo es válido para la naturaleza, sino también para la tecnología creada por el hombre.

El hombre y la energía

El trabajo que un ser humano puede producir gracias a su fuerza muscular es francamente risible comparado con las enormes cantidades de energía que proporcionan las fuentes energéticas hoy corrientes. Su capacidad de trabajo en ocho horas equivale a un vigésimo de caballo de vapor (0,05 CV), lo cual apenas basta para encender una lamparilla o hacer funcionar un pequeño ventilador de mesa.

En el año 1586, para alzar el obelisco de la plaza de San Pedro, en Roma, fueron movilizados casi mil hombres.

Mientras el hombre no pudo contar más que con su propia fuerza física, consumió sus energías en la lucha por la existencia y en defenderse de un ambiente circundante hostil. Las obras de su esfuerzo eran, por tanto, de escasa importancia o bien requerían un empleo de mano de obra y unos esfuerzos gigantescos.

Cuando, hace 4500 años, el faraón egipcio Keops mandó erigir la pirámide destinada a conservar sus restos mortales para la eternidad - según describe el historiador griego Heródoto - , tuvo que movilizar unos cien mil hombres, que trabajaron durante veinte años sin interrupción.

Nuestros antepasados, que gustaban tanto como nosotros de una existencia cómoda y placentera, no podían concebir que eso se lograra sin esclavos, hasta el punto de que el filósofo Platón (427 - 347 antes de J.C.), cuyo pensamiento plasmó de manera decisiva la concepción clásica del mundo, daba por descontada la presencia de esclavos en su Estado ideal, por contradictoria que parezca la idea de la esclavitud con la de la perfección. Y también habla de esclavos Tomás Moro en el año 1516, al describir en su Utopía un Estado ideal basado en principios comunistas.

Sólo la moderna tecnología ha liberado a la sociedad de la trágica realidad del trabajo infantil en las minas. Este dibujo data de 1850, cuando numerosos niños se esforzaban en las galerías.

Desde los albores de la Historia, el hombre ha tratado de obtener provecho de la energía disponible en la naturaleza. La evolución de la técnica consistía en gran parte en la conquista de nuevas fuentes de energía y de procedimientos mediante los cuales dominarla, canalizarla y hacerla utilizable.

 

Hoy podríamos construir la pirámide de Keops, lo mismo que hacemos con nuestros enormes diques, en una fracción mínima del tiempo empleado en la época faraónica y sirviéndonos de relativamente pocas máquinas, excavadoras y grúas, manejadas por un puñado de obreros especializados. Hoy edificamos casas de varios pisos en tiempos mínimos, nos desplazamos por las autopistas a velocidades de más de cien kilómetros por hora, transportamos por vía aérea toneladas de carga, construimos puentes de varios kilómetros de longitud que salvan brazos de mar, excavamos túneles en las montañas y bajo el mar, enviamos hombres a la Luna e ingenios a otros planetas y, además, podemos destruir ciudades enteras con una sola bomba. Todo ello cosas posibles siempre que contemos con grandes fuentes de energía.

En la actualidad, el consumo de corriente eléctrica per cápita constituye en sí mismo una medida del desarrollo de un país, porque cuanto facilita y hace agradable la existencia, cuanto sirve para reducir el esfuerzo y el trabajo, exige el empleo de energía.

Pero, ¿qué es esa cosa milagrosa que, bajo la forma de energía eléctrica, constituye nuestra criada para todo, pues caldea la casa en forma de energía térmica; mueve nuestros automóviles en forma de energía mecánica; como energía química está contenida en el carbón; como energía radiante recorre el espacio a la velocidad de la luz; como energía atómica está presente incluso en el más minúsculo fragmento de materia?

¿Cómo describir algo capaz de transformarse como un genio de las Mil y Una Noches, puesto que llena con la gasolina el depósito del automóvil, para convertirse luego, una vez en marcha el motor, en energía térmica; aparecer poco después, en forma mecánica, en el árbol de transmisión, y convertirse, además, en electricidad en la dinamo para propagarse al exterior en forma de rayo de luz producido por los faros?

¿Cuál es el elemento común, único y siempre igual, en todas estas manifestaciones? ¿Cuál es la verdadera esencia de la energía?

Hemos de reconocer que no lo sabemos. Conocemos, sí, las diversas formas de la energía, podemos transformar una en otra a voluntad, sabemos qué efectos produce cada una de ellas, podemos medirla, dominarla, dirigirla y desviarla sin ninguna dificultad; pero ignoramos qué es la energía en sí. En su forma mecánica, la más aparente, la definimos como «el producto de la fuerza por la distancia recorrida». Pero se trata sólo del producto de dos magnitudes físicas, y no de una definición efectiva de la esencia de la energía.

Pero sí podemos, y aun debemos, hacer una cosa, aunque ello pueda recordar las tediosas lecciones escolares: es nuestra obligación decir qué queremos significar exactamente con la palabra «energía», para establecer con precisión de qué estamos hablando.

Energía, trabajo, potencia

El vocablo “energía” deriva del griego enérgeia, que viene a significar “actividad natural”. El término se empleó por primera vez en sentido moderno hace casi quinientos años. En Física, por energía se entiende “la capacidad de realizar trabajo”.

Energía = capacidad de realizar trabajo

Pero, ¿qué significa trabajo?. Cuando arrastramos por un tramo de carretera un carro pesado efectuamos un trabajo, y no sólo en el sentido común de la palabra, sino también en su exacta acepción física. La única diferencia consiste en que la medida del esfuerzo físico depende en gran parte de la fuerza de la persona que tira del carro, mientras que el trabajo en sentido físico está exactamente definido, y responde a la fórmula:

Trabajo = fuerza X espacio recorrido

Hay que tener presente que la fuerza que produce trabajo es la que se mueve en la dirección del movimiento: en el caso de nuestro ejemplo, la que produce trabajo es la tracción ejercida sobre el carro, y no el peso del vehículo, que es una fuerza perpendicular a la dirección del movimiento.

Trabajo = fuerza X espacio

Digamos que un carro que pesa 1000 kilogramos necesita una fuerza determinada para poderse mover; pues bien, se define como “kilográmetro” la fuerza necesaria para trasladar el peso de un kilogramo durante un metro en la dirección de la fuerza. Supongamos que se necesiten ocho kilográmetros para mover el carro: si el tramo de carretera tiene un kilómetro de longitud, es decir, mide mil metros, el trabajo necesario será de 8 x 1000 = 8000 kilográmetros. La unidad de medida del trabajo es el kilográmetro (kgm).

La velocidad con que se recorre el tramo de carretera en cuestión es indiferente y no cambia la importancia del trabajo.

Existe también una segunda magnitud física importante, que considera la velocidad con que se efectúa un trabajo. Dicha magnitud es la “potencia”, que se define como “trabajo por segundo”,

Potencia = trabajo/segundo

Si para recorrer la carretera se precisa una hora, es decir, 3600 segundos, la potencia será de unos 8000 kgm: 900 sg = 9,8 kilográmetros por segundo. La unidad de medida de potencia es, pues, el kilográmetro por segundo (kgm/sg).

 

Cuando no se dispone de máquinas, hay que recurrir a la fuerza física del hombre. En la fotografía, vemos la construcción de una presa cerca de Pekín, China.

El inventor de la máquina de vapor, James Watt, introdujo una unidad de medida llamada caballo de vapor, equivalente a 75 kgm/sg ( 1 CV = 75 kgm por segundo ) ; la decisión fue un tanto arbitraria, porque en realidad la potencia de un caballo es de cerca de la mitad. Pero como, por otra parte, esta unidad de medida de la potencia permite utilizar cifras precisas, sigue en uso.

Por consiguiente, se establece una distinción entre trabajo (kgm) y potencia (kgm/sg, o bien, CV). Téngase presente que, sobre todo en el uso cotidiano, se suele sustituir, erróneamente, la palabra «fuerza» por el término «potencia». También se debe aclarar que la energía, en cuanto «capacidad de efectuar trabajo», se mide, lo mismo que el trabajo, en kilográmetros.

Y con esto termina nuestra breve lección .

La transformación de la energía

Después de lo dicho, queda claro que la energía puede evitar la fatiga de tirar del carro. Si disponemos de determinada cantidad de energía y estamos en condiciones de aplicarla correctamente, nos será posible levantar y transportar cargas, mover vehículos y máquinas, producir calor y luz cuando y donde queramos; en una palabra, nos garantizará todas aquellas comodidades que hacen más grata la existencia.

Excavadora trabajando en una mina de lignito a cielo abierto. La máquina libera al operario de muchos esfuerzos físicos.

Pero, ¿cómo producir esta fuerza milagrosa que libera del esfuerzo físico y nos permite dedicarnos a otras actividades que no sean la pura lucha por la existencia? Lo que la naturaleza pone a nuestra disposición no difiere de lo que concede también a plantas y animales: la luz y el calor del sol, la energía química contenida en los alimentos, necesaria para el desarrollo de los procesos vitales.

Sin embargo, todo cuanto deriva de ello (calor en invierno, luz por la noche y, sobre todo, las enormes energías mecánicas que alivian el esfuerzo físico) ha tenido que creárselo el hombre. Y esto explica la obstinación con que ha tratado de conseguir el movimiento perpetuo.

La razón de que no sea posible lograrlo fue descubierta por el médico alemán Julius Robert Mayer, quien en 1840 realizó un viaje a las Indias Orientales en calidad de médico de un buque. Al hacer una sangría a unos marineros en una bahía de la isla de Java, Mayer comprobó que la sangre venosa, que es azulada en Europa, presenta una tonalidad mucho más clara en los trópicos, hasta el punto de que se asemeja a la arterial, de color rojo vivo gracias a su alto contenido de oxígeno.

Mayer llegó a la conclusión de que en las regiones tropicales el cuerpo humano consume menos oxígeno que en las zonas del globo más frías.

Como se sabe, el organismo utiliza el oxígeno para obtener energía de los alimentos. Un menor consumo de oxígeno supone, pues, que el organismo produce menos energía, y a ello se debe que en las regiones cálidas se requiera poco calor para mantener la temperatura corporal.

De esta comprobación era lógico deducir que la cantidad de energía existente en el mundo permanecía inmutable. Y en un trabajo publicado en 1842, Mayer afirmó que «la energía disponible no puede ser destruida, y ni siquiera se puede cambiar la forma en que se manifiesta». Intuición que confirmó y completó, con los experimentos oportunos, el inglés James Prescott Joule.

La energía, pues, no puede surgir de la nada, ni tampoco anularse. En la actualidad, esta afirmación resulta mucho más clara, porque sabemos que la energía puede transformarse directamente en materia; y ningún científico se forja ilusiones respecto a que la materia pueda ser creada de la nada, ni siquiera acortando por el atajo de la energía. Pero, ¿qué ocurre cuando nosotros, accionando los frenos, «anulamos» la energía contenida en un automóvil en marcha? La expresión «anular» es errónea; en efecto, no «anulamos» la energía, sino que simplemente la transformamos en calor, el que se origina a consecuencia del roce entre la mordaza del freno y la parte de la superficie interior de la rueda sobre la cual actúa; y es tal la cantidad de calor generada, que puede poner incandescentes las partes en contacto.

Asimismo, tampoco podemos «producir» energía, en la acepción propia del término; ni podemos, por tanto, crearla, ni siquiera en las centrales. En ellas sólo se produce una transformación de la energía, que pasa de una forma constante en la naturaleza a otra forma distinta, que podemos aprovechar para nuestros fines. En nuestros días, nueve décimas partes de la energía obtenida por la transformación de otras formas energéticas se derivan del petróleo y el carbón, sustancias que contienen grandes cantidades de energía; precisemos que en este caso se trata de energía química, cuya importancia se mide en «calorías», es decir, en cantidad de calor obtenido por medio de la combustión.

Por lo común, las cantidades de calor se expresan en «kilocalorías», unidades de medida que equivalen a mil calorías (una caloría es la cantidad de calor necesaria para que la masa de un gramo de agua destilada, a la presión de una atmósfera, aumente su temperatura de 14,5° C a 15,5° C).

Una «kilocaloría» (kcal o Cal) es la cantidad de calor que se precisa para calentar un grado centígrado un kilogramo de agua. Así, por ejemplo, 1 kg de carbón proporciona 7000 Cal; 1 kg de petróleo, 9000 Cal; y 1 kg de carbón de leña, 3500 Cal. Dichas calorías son, pues, las cantidades de calor que se obtienen de la combustión de una masa de un kilogramo de cada sustancia de las tres que hemos mencionado.

Mediante la caldera de vapor y la turbina de vapor, la energía en cuestión se transforma primero en mecánica, y luego, por medio de generadores eléctricos, en eléctrica; esta conversión resulta necesaria, por una parte, porque la electricidad es fácilmente transportable a los lugares donde se utiliza, y, por otra, porque con la misma sencillez puede invertirse luego el proceso y ser transformada, a su vez, en calor, luz y energía mecánica.

La posibilidad de convertir las diversas formas de energía de una en otra presupone la existencia de proporciones y relaciones constantes, es decir, de «equivalencias» entre una forma y otra. Estas magnitudes de equivalencia se han establecido tras cuidadosas investigaciones. Y así, por ejemplo, sabemos que una kilocaloría corresponde a 427 kilográmetros que equivalen, por su parte, a 0,00116 kilovatios / hora (kWh, es decir, la unidad de medida de la energía eléctrica). En la tabla adjunta encontrará el lector todos estos valores.

La fuerza de un hombre equivale a 1/20 de CV. El trabajo diario que desarrolla un individuo medio corresponde a la energía porporcionada por 33 kilos de carbón, 22 centímetros cúbicos de gasolina o 0,27 kWh, o bien al calor contenido en 2,7 litros de agua hirviendo.

Nos hemos referido con anterioridad a la escasa fuerza física del hombre, y habíamos dicho que, en otros tiempos, si se quería vivir con comodidad no había más remedio que servirse del trabajo de los esclavos. Un hombre puede realizar en un día un trabajo igual a casi cien mil kilográmetros, equivalentes a 0,27 kWh. En 1968, el consumo medio de energía de una casa de Europa central se evaluaba en 4,36 kWh; por tanto, para producir una cantidad de energía similar habría sido necesario el trabajo de dieciséis esclavos. Una casa media dispone hoy, pues, del equivalente de dieciséis esclavos al menos, disponibles día y noche, que cuestan poquísimo y obedecen a la menor señal, ocupados en caldear, iluminar, ventilar, cocinar, aspirar el polvo, lavar platos, etc.

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