LA FUERZA DEL VIENTO Y DEL AGUA


 
 

Toda transformación de energía presupone el desarrollo de una técnica particular. Piénsese tan sólo en la construcción de los modernos aparatos eléctricos, o bien, en la puesta en marcha de una central termoeléctrica o nuclear. En las primeras fases de la Historia, el hombre sólo pudo servirse de las fuentes naturales de energía, que se la suministraban directamente en la forma en que la producían.

La pequeña aspa dispuesta en el techo de los molinos de viento se utiliza para poder orientar la grande según la dirección en que sopla el viento.

Hace unos trescientos cincuenta mil años, el hombre logró servirse del fuego, acontecimiento que señaló el «comienzo de la técnica». Ignoramos cuándo empezó a utilizar el hombre otras fuentes de energía; pero, desde luego, las primeras empleadas fueron la fuerza del viento Y del agua, dado que una v otra son las únicas fuentes naturales de energía mecánica, la que más precisa el hombre para alimentarse y para calentarse.

Probablemente, la primera forma de aprovechamiento de la energía mecánica fue la utilización de la vela.

Los rayos solares tienen tanta fuerza que, en un día caluroso de verano, en la zona templada del globo (por ejemplo, Europa o América del Norte), consiguen calentar el aire a 20° C a ochocientos metros de altitud. Sin embargo, tal calentamiento no es uniforme, sino que depende en alto grado de las características del suelo. Así, por ejemplo, en un bosque el aire se mantendrá más fresco que en una superficie llana arenosa, porque las plantas absorben grandes cantidades de calor solar, almacenándolo en forma química, en tanto que un terreno llano refleja mucho más el calor o la luz del Sol, de modo que contribuye al recalentamiento del aire.

Las corrientes de aire ascensionales se forman en aquellas zonas en las que el aire se caldea más, en razón de las características propias del terreno.

El aire caliente pesa menos que el frío. Una disminución de 10° C representa una diferencia de más de cincuenta gramos por metro cúbico de aire. Debido a ello, en las zonas donde el aire se calienta se dirige hacia lo alto; así se forman «corrientes ascensionales», a menudo suaves, que son muy apreciadas por quienes practican el vuelo a vela.

Evidentemente, el aire que impulsan hacia arriba las corrientes ascensionales debe ser sustituido por otro que ocupe su lugar; se forman así los vientos que todos conocemos. Durante los días especialmente calurosos, las corrientes ascensionales localizadas que originan las tempestades pueden alcanzar velocidades de 100 kilómetros por hora, con la formación de violentos torbellinos a nivel del suelo. Los vientos normales se forman, en cambio, en las zonas donde las corrientes ascensionales están más bien localizadas.

Los pilotos de los planeadores pueden alcanzar grandes altitudes aprovechando las corrientes ascensionales.

Si en su camino el viento encuentra una superficie, ejercerá una presión sobre ella, porque el aire se adensa delante, con el consiguiente aumento de presión; además, causará un remolino, fenómeno al que de ordinario se presta menos atención. Ello sucede en las superficies sobre las que resbala (resulta fácil comprobar que el polvo y las hojas que caen de los árboles no son simplemente transportados por el viento a nivel del suelo, sino que los levanta y les obliga a girar en remolinos).

El viento presiona sobre la vela, y ésta, a su vez, sobre el barco, el cual puede avanzar aunque las direcciones no coincidan.

Su fuerza de empuje y su capacidad de producir remolinos dan lugar a que el viento sea una fuente de energía utilizable por el hombre.

Energía eólica

La fuerza que ejerce el viento sobre cualquier superficie que se le oponga perpendicularmente depende, en primer lugar, de la extensión de dicha superficie y de la velocidad del viento; la fuerza de presión del viento varía proporcionalmente al cuadrado de la velocidad, o, dicho de otro modo, a doble velocidad, la fuerza de presión es cuádruple. Una brisa fresca que mueva apenas el ramaje y se desplace a una velocidad de treinta kilómetros por hora, suficiente para la navegación a vela, ejerce una presión de seis kilográmetros por metro de superficie, energía suficiente para impulsar las cometas, mover las barcas de vela y hacer girar las aspas de los molinos de viento.

Para obtener tal resultado, en general conviene disponer la superficie - de la cometa, la vela, el aspa del molino de viento – de forma oblicua con respecto a la dirección en que sopla el viento, el cual, de este modo, chocará con la superficie en una dirección distinta de aquella en que se mueve. Así se aprovecha mejor su fuerza.

En muchos países de escasa lluviosidad se utilizan todavía hoy los molinos de viento para elevar el agua necesaria para el riego de los campos.

Si se dobla una superficie, de modo que el viento penetre debajo de ella, en cuanto sople en sentido horizontal la levantará; según este principio funciona la cometa, empleada todavía en el siglo XVIII para efectuar investigaciones físicas en las capas superiores de la atmósfera. Son célebres los experimentos realizados por Benjamín Franklin, quien en 1752, gracias a una cometa, pudo comprobar la naturaleza eléctrica de las tormentas. A tal fin, el estadista y científico norteamericano elevó una cometa hasta una nube tormentosa, observando que brotaban chispas a lo largo del hilo de cobre que llegaba hasta el suelo. Hoy, para llevar a cabo experimentos similares disponemos de instrumentos científicos muy perfeccionados, por lo que, en la actualidad, la cometa no es sino un juguete y una diversión.

Barcos de vela

La vela actúa según el mismo principio. En su origen, las naves eran empujadas por remos manejados por esclavos, en número de tres o cinco para cada remo, y más tarde por galeotes, es decir, por forzados. Las galeras, que tenían hasta trescientos remeros, surcaron los mares hasta el siglo XVIII. Pero ya en la Antigüedad se empezó a utilizar la vela, cuyo uso puede comprobarse a partir del año 3000 a. de J.C. Sin embargo, sólo se recurría a las velas cuando el viento soplaba en la dirección en que el barco debía avanzar. Más adelante se pensó en disponer oblicuamente la vela al viento; el arte de navegar a vela consiste, precisamente, en colocar la vela de modo que pueda tomar el viento y haga avanzar la nave, aun cuando el rumbo en que ésta deba ir no coincida con la dirección en que sopla el viento.

Las embarcaciones de vela aprovechan la energía del viento para avanzar. Vemos aquí un grupo de veleros en el curso de una regata.

Incluso se puede llegar a aprovechar el viento contrario, es decir, como se dice en términos marineros, «dando bordadas».

Hasta 1819, los mares sólo fueron surcados por buques de vela; pero en ese año, el primer buque de vapor, el Savannah, atravesó el océano Atlántico. Partió de la ciudad americana cuyo nombre llevaba y llegó a Liverpool veintiséis días más tarde; sin embargo, durante el viaje el Savannah tuvo que recurrir al concurso de las velas.

Molinos de viento

Pero la forma tradicional de empleo de la energía eólica es la de los pintorescos molinos de viento, que no se distinguen, sustancialmente, de las más modernas turbinas de vapor. El movimiento, producido en los molinos por el viento que sopla sobre las aspas oblicuamente, se origina en las turbinas por el flujo del vapor que empuja las palas móviles. En uno y otro caso, el fluido (vapor o viento) imprime un movimiento de giro a una parte rotatoria, produciendo así un trabajo.

Huracanes y tifones

Ya hemos dicho que la presión ejercida por el viento sobre una superficie aumenta proporcionalmente al cuadrado de la velocidad del viento; dicho de otro modo, cuando se acrecienta la velocidad del viento, su fuerza aumenta con bastante rapidez, hasta alcanzar valores muy altos y producir efectos destructores. Los vientos del orden de los cien kilómetros por hora (28 metros por segundo), que no son nada raros, desarrollan una presión de 71 kgm por metro cuadrado; estas cotas las alcanzan a menudo el mistral en el valle del Ródano, la bora, que sopla en el Adriático septentrional, y el föhn alpino. Cuando superan estas velocidades, los vientos pueden arrancar árboles de cuajo y levantar tejados, y su fuerza es tal que resulta difícil mantenerse en pie. Pero esto es poca cosa si lo comparamos con los efectos devastadores que producen huracanes y tifones, que en su epicentro pueden alcanzar velocidades de hasta ochocientos kilómetros por hora; las presiones correspondientes equivalen, en el caso de estos vientos, a varias toneladas por metro cuadrado.

Las fuerzas desencadenadas por la naturaleza son gigantescas, y, comparativamente, hasta las mayores energías controladas por el hombre son insignificantes. Por ejemplo, la potencia de un huracán se evalúa en algunos miles de millones de CV, es decir, que supera con creces la potencia conjunta de todas las centrales que existen en el mundo.

La energía total de los vientos ha sido calculada en 4,4 billones de kWh, cifra que supone seis mil veces la producción mundial de energía.

En la actualidad todavía se aprovecha una parte mínima de esta potencia. Claro que la energía eólica presenta las desventajas de que es muy irregular y facilita rendimientos muy reducidos. En consecuencia, la fuerza del viento apenas se ha utilizado, hasta ahora, más que para bombear el agua, molturar cereales y aserrar madera, trabajos que no han de realizarse en un período de tiempo determinado y que requieren escasa energía.

Si se cierra el curso de un río mediante un dique se forma un embalse que, al elevar el nivel del agua, permite crear un salto suficiente para poner en movimiento las turbinas de una central hidroeléctrica. Cuanta más longitud tiene el salto, tanto mayor es la energía del agua.

Energía hidráulica

A diferencia de lo que ocurre con la eólica, la energía hidráulica es todavía hoy muy aprovechada. Aunque no de manera uniforme, el agua corre sin cesar; además, puede recogerse en los períodos de abundancia, en previsión de las épocas en que escasea; en fin, suministra energía que supera centenares de veces la del viento. Por término medio, se puede calcular que el 1,8 % de las necesidades energéticas mundiales se cubre gracias a las instalaciones eléctricas; las cotas máximas se sitúan en países como Noruega o Suiza, que disponen de abundantes cursos fluviales.

Según cálculos efectuados, resulta que el calor solar evapora cada año 400.000 kilómetros cúbicos (es decir, cuatrocientos billones de toneladas) de agua marina. El vapor de agua es impulsado a las alturas por corrientes ascensionales y se condensa en nubes en los estratos superiores de la atmósfera, ya que el aire que abandona los estratos superiores se enfría. Esta agua evaporada por los rayos solares se precipita en forma de lluvia, tres cuartas partes de la cual caen en los mares, y la cuarta parte restante sobre las tierras emergidas. Ahora bien, de esta última masa de lluvia, no toda contribuye a formar los cursos de agua capaces de accionar nuestras instalaciones hidroeléctricas, por cuanto dos tercios de ella se vuelven a evaporar, de modo que sólo quedan 37 billones de toneladas, es decir, el 9 % de la masa total.

Construcción de un complejo en la década del '60 destinado al aprovechamiento de la energía de las mareas en la costa septentrional de Francia, cerca de Saint-Malo. Como se ve, dos gruesos diques protegen las obras, en el centro de las cuales surge la verdadera central, de casi doscientos metros de longitud. La instalación, ya terminada, aprovecha la diferencia de nivel que se da entre el flujo y el reflujo en la desembocadura del Rance, en el Canal de la Mancha, para producir electricidad.

Pese a ello, la potencia conjunta que se obtiene alcanza los 8,5 miles de millones de CV. Estas cifras revelan mucho mejor que cualquier otro término de comparaciónn la inconmensurabilidad de la energía irradiada por el Sol.

El aprovechamiento de las fuerzas hidráulicas proporciona grandes cantidades de energía sin tener que recurrir a costosas instalaciones, razón por la cual ya en las épocas más remotas se emplearon norias en todos los rincones del mundo. Y así, en 1700 a. de J.C. se utilizaban en Babilonia para regar los campos; en el siglo I a. de J.C., Vitruvio describía un molino de agua. En el año 700 de nuestra era, en toda Europa existían molinos, serrerías y fundiciones movidos por la fuerza hidráulica. A Leonardo da Vinci se debe también la invención de una rueda hidráulica «por arriba», en la cual el agua que la hace girar actúa por efecto de su propio peso, a lo que se agrega el efecto dinámico debido a la velocidad con que golpea contra las palas (rueda hidráulica «por debajo»).

Energía potencial y energía cinética

Al llegar a este punto conviene recordar que existen dos formas distintas de energía mecánica: la potencial y la cinética.

Rueda de agua "por arriba".

Si levantamos la pesa de un reloj de sobremesa (dijimos un kilogramo a la altura de un metro), efectuamos un trabajo (1 kgm). La energía correspondiente la posee la pesa, en forma de energía potencial. Al descender, la pesa cede la energía al mecanismo del reloj, que vence así los rozamientos y se mantiene en movimiento. Cuando la pesa llega al final de su recorrido, la energía que poseía se ha consumido por completo y el reloj se detiene.

También el Sol, al transmitir un empuje ascensional al agua (en forma de vapor) le proporciona energía, de parte de la cual nos beneficiamos para nuestros usos, aprovechando el agua que desciende hacia los valles por los torrentes y hacia el mar por los ríos.

Rotor de una turbina hidráulica Francis.

En los teleféricos se emplea todavía este sistema de manera elemental: el aljibe de que dispone la vagoneta superior se llena de agua, hasta que el exceso de peso la hace descender, tirando hacia arriba de la vagoneta que se desplaza en sentido inverso.

Del mismo modo funciona la rueda hidráulica «por arriba» antes mencionada; en ella, la circunferencia no está provista de palas, sino de cangilones. El agua es conducida, mediante un canal, hasta el punto más alto de la rueda, donde llena el cangilón correspondiente, el cual, una vez lleno, se desplaza y cede su energía potencial a la rueda.

A diferencia de la rueda «por arriba», la rueda «por abajo» aprovecha la energía del movimiento, llamada energía cinética. En todo cuerpo en movimiento hay contenida, o, como se dice en términos científicos, asociada, una forma de energía mecánica directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. En otras palabras, un objeto de masa m que se desplace con la velocidad v, posee una energía cinética que vale mv2/2. Es ésta una relación que se ha observado ya en la fuerza del viento. La rueda hidráulica «por debajo» está provista de palas que se hallan sumergidas en el agua; dichas palas o alabes ofrecen resistencia a la corriente, a la que sustraen parte de su velocidad y, por tanto, de su energía cinética; dicho de otro modo: el agua corriente las empuja e imprime un movimiento de rotación a la rueda. La diferencia con respecto al viento consiste, simplemente, en que la fuerza con que se efectúa el proceso es 770 veces mayor, y ello por la sencilla razón de que el agua tiene una masa 770 veces mayor que la del aire, tal como puede comprobar quien trate de resistir erguido la fuerza de una corriente de agua. Hasta las menores ruedas hidráulicas se caracterizan por la notable energía que proporcionan.

El elevado potencial de energía de las aguas corrientes explica también por qué las inundaciones causan tan enormes destrozos. Cuando cede una presa en la cabecera de un valle, toda la energía potencial del agua recogida en la cuenca hidráulica se libera de pronto, y la masa líquida se precipita hacia el valle arrasando cuanto se interpone en su camino. Las inundaciones constituyen una de las más temibles catástrofes naturales.

Pero no se requieren catástrofes de tal magnitud para comprobar la energía potencial del agua. Ya se sabe que basta un fuerte oleaje para desplazar a varios metros masas de muchas toneladas. El hombre trata de protegerse contra el oleaje mediante rompeolas, y de los peligros de las inundaciones con diques; pero todavía con cierta frecuencia la naturaleza demuestra que es más fuerte.

Las turbinas hidráulicas

Lo que antaño se obtenía modestamente, mediante las ruedas hidráulicas de los molinos, hoy se consigue, en proporciones bastante mayores, gracias a las turbinas hidráulicas, que existen ya desde hace mas de siglo y medio. En determinado momento, técnicos y constructores llegaron a la conclusión de que en las ruedas hidráulicas sólo trabajaban las pocas palas que se hallaban en contacto con el agua, mientras todas las demás quedaban inoperantes, una vez en seco. Se construyeron, pues, ruedas hidráulicas completamente sumergidas, con los alabes dispuestos oblicuos, como en los molinos de viento, que se tomaron como modelo para construirlas. El ejemplo más típico es el de la turbina hidráulica de hélice (tipo Kaplan), en la que se repite, básicamente, el esquema de la rueda de viento, con la diferencia de que la fuerza del agua que sobre ella actúa es muchísimo mayor. Las turbinas de este tipo, de eje vertical, se construyen para potencias de hasta 565.000 CV; tienen un diámetro de diez metros y figuran entre las máquinas más potentes que hoy existen.

Izquierda: Rotor de una turbina hidráulica de hélice tipo Kaplan, con palas móviles. Derecha Rotor de una turbina del tipo Pelton.

Si, por el contrario, como suele ocurrir en las montañas el agua es escasa, pero, en compensación, el salto que efectúa (es decir, la diferencia de nivel entre el punto de confluencia del agua y el de utilización donde esta situada la turbina ) es importante, se recurre preferentemente a la turbina Pelton . Se trata de una turbina hidráulica constituida por un rotor en forma de rueda de gran diámetro y de eje por lo común horizontal, sobre el cual cae tangencialmente el chorro de agua, el cual choca contra las palas, que tienen forma de cuchara doble con un borde cortante en el centro. El chorro, partido por dicho borde, se divide en dos brazos, que se dirigen hacia las dos cazuelas laterales. Las turbinas Pelton resultan idóneas para el aprovechamiento de saltos muy elevados.

Una central hidoreléctrica con conducciones de agua forzadas.

Turbinas de una central eléctrica junto al Río Ill, afluente del Rin.

También se ha propuesto, para producir energía, el aprovechamiento de las marcas; mejor dicho, el de la amplitud de las mareas, o sea, la diferencia del nivel entre el flujo (marca alta) y el reflujo (o marca baja). Como ya se sabe, las mareas son oscilaciones periódicas del nivel de las aguas del mar debidas, sobre todo, a la atracción gravitacional de la Luna; como resultado de ellas, donde hay marea alta, una masa de agua de un kilogramo resulta casi 1/6 miligramo menos pesada que el agua en fase de reflujo. Aun cuando sea pequeña, esta diferencia basta para levantar un elemento móvil como el agua. Cierto que la «onda de marea» solo tiene unos centímetros de altura en el mar abierto, pero no menos cierto es que se mueve a lo largo de la Tierra siguiendo el movimiento aparente de la Luna, de Oeste a Este, con lo que en las costas llega a alcanzar valores mucho más importantes, del orden de varios metros. En circunstancias particulares, como las que se dan, por ejemplo en la bahía de Fundy, en la costa oriental del Canadá, la amplitud equivale a 21 metros , lo cual supone que en cada marea alta y baja entran y salen de la bahía cien mil millones de toneladas de agua.

Tras una serie de experimentos limitados, en Francia , por ejemplo, se construyo en la década del '60 una central para aprovechar la marea a fin de producir energía eléctrica; el complejo se levanta en la desembocadura del Rance, en la costa de Bretaña (Francia), donde la amplitud alcanza trece metros. La central, con una potencia de 320.000 CV, consiste esencialmente en un dique y un gran receptáculo, donde penetra el agua con el flujo y sale con el reflujo. Las turbinas, de tipo especial, con objeto de aprovechar la acción de grandes masas líquidas con un pequeño salto y capaces de funcionar tanto en un sentido como en el contrario, están situadas en correspondencia con el dique y aprovechan la energía de las dos corrientes: la de entrada y la de salida. Hacia 1972 se inauguro una presa similar a la del Rance, obra rumano-yugoslava, situada aguas abajo de las Puertas de Hierro.

La desventaja que presentan las centrales de este tipo (mareomotrices) estriba en que durante el período de equilibrio entre las dos fases no se produce salto y, en consecuencia, no hay posibilidad de producir energía; de ello se deriva que las centrales que aprovechan la marea sólo pueden funcionar en conexión con otras centrales, a las cuales corresponde el suministro de energía durante tales períodos.

La energía así obtenida constituye una excepción, puesto que no procede directamente del Sol.

Ver más: UTILIZACIÓN DE LA FUERZA DEL VIENTO : El viento usado como fuerza motriz para la impulsión de barcos a vela y generación de energía desde tiempos antíguos .

 

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