Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)

PK-269-CI Levitación Magnética

Asesor: Elizabeth Acosta Hernández

Autor: LEONARDO JOSHUA LOPEZ HERNANDEZ

Resumen

La levitación magnética si es posible de utilizar en el transporte para hacerlo más rápido y seguro, aunque no sea una tarea fácil será un gran beneficio tanto para nosotros como para el planeta

Pregunta de Investigación

¿Cómo se puede utilizar la levitación magnética para evitar el uso de energía no renovable en el transporte?

Planteamiento del Problema

El mundo actual enfrenta muchos problemas y uno de ellos es el transporte debido al uso de energía no renovable y al desorden con el que se realiza, por este motivo me oriente a buscar una solución a este problema. Es así como encontramos la tecnología magnética

Antecedentes

Magnetismo
En 1821 el físico danés Hans Christian Oersted observo la conexión existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. El magnetismo halló aplicación desde el siglo XIX. Aparatos como la radio y la televisión se basan en muchos de los conocimientos y aplicaciones que, sobre electromagnetismo, se generaron en las primeras décadas del siglo XX. La levitación es un fenómeno que siempre ha cautivado la imaginación del ser humano. Hoy en día, se conocen unos cuantos mecanismos físicos que permiten “sostener” un objeto flotando sin contacto mecánico alguno con el suelo. No obstante, cuando se pretende extrapolar este atractivo fenómeno a sistemas de interés científico o tecnológico, aparecen serias dificultades. En particular, las aplicaciones basadas en efectos dinámicos (un colchón de aire, por ejemplo) requieren una gran cantidad de energía, y las que tratan de evitar este problema mediante la estática (como las basadas en imanes que se repelen) son altamente inestables. Una mínima perturbación sobre el objeto levitante lo expulsa irreversiblemente de su posición de equilibrio. Aunque queda mucho camino por recorrer, las propiedades de atracción-repulsión entre imanes y superconductores han hecho posibles grandes avances en este campo. Estos sistemas son muy estables y el consumo de energía se reduce de modo drástico. En el rango de las aplicaciones a gran escala, disponemos ya de conocimiento y tecnología para levitar grandes masas. Desde sus primeros estudios, la levitación magnética ha sido aplicada en numerosos sistemas, como, por ejemplo, rodamiento sin roce, sistemas mecánicos de almacenamiento de energía y sistemas de transporte de alta velocidad.
La levitación magnética constituye un valor en alza siendo múltiples sus aplicaciones, usos y utilidades en sectores tales como la industria, el comercio, el transporte, la medicina o el entretenimiento. Desde que los griegos descubrieron los imanes hasta la consecución de la levitación de un tren en Japón han pasado siglos en los que investigadores de variadas disciplinas han compartido una curiosidad común: la magia que rodea al magnetismo. A juzgar por los últimos avances en esta materia la sociedad actual se halla frente a la punta del iceberg de lo que puede convertirse en una tecnología revolucionaria.

El magnetismo o energía magnética,
Es un fenómeno natural por el cual algunos objetos producen fuerza de atracción o repulsión sobre los otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que tienen propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.
William Gilbert (1540-1603).
Físico y médico inglés. Fue uno de los pioneros en el estudio experimental de los fenómenos magnéticos. Gilbert distingue netamente los fenómenos eléctricos de los magnéticos, refiriendo los resultados de algunas de sus experiencias dirigidas a demostrar que el hierro, al ser frotado por cuerpos electrizados como el diamante, no presenta fenómenos magnéticos. Con este propósito introdujo el autor nuevos términos que serían después usados corrientemente en la física (“polos magnéticos”, “fuerza eléctrica”, “cuerpos eléctricos y no eléctricos”). Al mostrar que el hierro, a altas temperaturas, no presenta alteraciones magnéticas, se adelantó a los modernos descubrimientos de Curie.
Gilbert descubrió además que la aguja de la brújula apunta al norte-sur y gira hacia abajo debido a que el planeta Tierra actúa como un gigantesco imán; hay que entender la atracción sólo como un caso particular de la atracción magnética entre polos opuestos.

Construyó, con fines experimentales, un pequeño globo magnético llamada Terrella (significa la pequeña tierra) que mostraba la orientación de la aguja magnética de las brújulas en la dirección de los polos y explicaba la variación de la declinación en función de la posición de la brújula; así explicó el magnetismo terrestre.
André-Marie Ampere (Lyon, 20 de enero de 1775 – Marsella, 10 de junio de 1836).
Fue un matemático y físico francés. Inventó el primer telégrafo eléctrico y, junto a Francois Arago, el electroimán. Formuló en 1827 la teoría del electromagnetismo. El amperio (en francés ampere) se llama así en su honor.
En 1820, a partir del experimento de Hans Christian Orsted, 2 estudió la relación entre magnetismo y electricidad. Descubrió que la dirección que toma la aguja de una brújula depende de la dirección de la corriente eléctrica que circula cerca y dedujo de esto la regla llamada « de Ampère»: un hombre está acostado sobre el conductor; la corriente, que va por convención de más a menos, lo atraviesa de pies a cabeza; sus ojos apuntarán a la aguja imantada.
El polo norte de esta aguja se desplaza entonces a su izquierda.
Esto es ejemplificado también en la regla de la mano derecha: nos dice que si estiramos la mano derecha con el pulgar hacia arriba, el índice estirado hacia adelante y el corazón formando ángulo de 90º con el índice, tendremos las direcciones de la fuerza magnética (F), el campo magnético (B) y la dirección de la corriente (I)

CARL FRIEDRICH GAUSS (Nació el 30 de abril de 1777 en Brunswick, ahora Alemania – murió el 23 de febrero de 1855).
Junto a Arquímedes y Newton, Gauss es sin duda uno de los tres genios de la historia de las Matemáticas.
Las aportaciones de Gauss en todos los campos de la Matemática son inestimables: Teoría de números, Astronomía, Magnetismo, Geometría, Análisis… Cualquier gran descubrimiento matemático a lo largo de este siglo encuentra detrás la alargada sombra de Gauss.
Desde 1821 hasta 1848 Gauss trabajó en Geodesia. Entre 1830 y 1840 se dedicó a la física matemática, concretamente electromagnetismo, magnetismo terrestre la teoría de la atracción según la ley de Newton.

James Clerk Maxwell (Edimburgo, Escocia, 13 de junio de 1831 – Cambridge, Inglaterra, 5 de noviembre de 1879).
Físico escocés conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnética clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre óptica, en una teoría consistente.
Las ecuaciones de Maxwell demostraron que la electricidad, el magnetismo y hasta la luz, son manifestaciones del mismo fenómeno: el campo electromagnético. Desde ese momento, todas las otras leyes y ecuaciones clásicas de estas disciplinas se convirtieron en casos simplificados de las ecuaciones de Maxwell.

5. Michael Faraday (Newington, 22 de septiembre de 1791 – Londres, 25 de agosto de 1867).
En 1831 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica (ya descubierta por Oersted), y ese mismo año descubrió la inducción electromagnética, demostró la
inducción de una corriente eléctrica por otra, e introdujo el concepto de líneas de fuerza, para representar los campos magnéticos.

Transportes que usan el magnetismo
Trenes Maglev

Objetivo

Estudiar las aplicaciones de la levitación magnética para poder evitar el uso de energías no renovables.

Justificación

Este tema me interesó porque quería saber que alternativas había para evitar el uso de energías no renovables y así poder ayudar al medio ambiente porque habría menos contaminación.

Hipótesis

Si los mexicanos utilizáramos energías renovables como la levitación magnética entonces habría menos contaminación.

Método (materiales y procedimiento)

Los trenes Maglev.

La levitación magnética (Maglev) es famosa por sus usos en el transporte, sobre todo los trenes. Alemania y Japón son pioneros en el desarrollo de los trenes Maglev. Japón y China tienen los trenes Maglev comerciales en uso en este momento. Un tren de levitación magnética es un vehículo que utiliza las ondas magnéticas para suspenderse por encima del carril e impulsarse a lo largo de un carril-guía.
Nos centraremos en el uso de la levitación magnética en los trenes Maglev. Fig. (1)
Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad.
A continuación, se exponen los cuatro principios básicos por los cuales funciona un tren Maglev.
1-Principio de levitación magnética.
Todos los sistemas que utilicen levitación magnética para sustentar elementos ferromagnéticos deben contar, por lo menos, con dos elementos: un sistema eléctrico, constituido por una fuente variable de voltaje y una bobina; un sistema electromecánico, que utiliza la energía eléctrica almacenada en la bobina en forma de campo magnético para compensar la energía mecánica. Esta última relación se comprueba físicamente como el equilibrio de fuerza magnética y mecánica.
F = ma

F: son las fuerzas aplicadas al sistema, m: es la masa del cuerpo y a: es la aceleración el mismo.
Las fuerzas que actúan sobre el sistema son:
mg: Fuerza producida sobre la masa m del cuerpo debido a la aceleración del campo gravitatorio terrestre g.
kv: Fuerza originada por la fricción o rozamiento del cuerpo.
F(y, i): Fuerza ejercida por las bobinas de los raíles.
La sumatoria de fuerzas está dada por la ecuación
F = mg − kv + F(y, i) ==> mg − kv + F(y, i) = ma
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 (suspensión electromagnética) o EDS (suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas.
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. Fig. (2)

El sistema EMS usa electroimanes convencionales situados en los extremos de un par de estructuras debajo del tren; las estructuras envuelven por completo cada lado del carril guía. 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. Unos electroimanes encargados de la guía lateral del vehículo serán colocados en los laterales del tren de manera que quede garantizado su centrado en la vía. Los imanes son atraídos hacia los raíles de hierro laminado en el carril guía y elevan el tren.
Sin embargo, este sistema es inestable; la distancia entre los electroimanes y el carril guía, debe estar controlada y ajustada por ordenador o computadora para evitar que el tren golpee el carril guía. Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción.

EDS: Suspensión Electrodinámica
Permite altas velocidades y altas cargas de peso. Usa la fuerza de oposición que se produce entre los imanes del vehículo y las bandas o bobinas eléctricas del carril guía para elevar el tren. Esta aproximación es estable, y no necesita un control y un ajuste continuos; también se produce una distancia relativamente grande entre el carril guía y el vehículo, por lo general entre 100 y 150 mm. Sin embargo, un sistema maglev EDS utiliza imanes superconductores, mucho más caros que los electroimanes convencionales, y necesitan un sistema de refrigeración con nitrógeno que los mantenga a bajas temperaturas. Debe dotarse con ruedas para los trayectos en los que se mueve a poca velocidad. Fig. (3)

La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos y evitando las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. Esta propiedad se da en superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se explicó con anterioridad. Un tren con suspensión EDS se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera que ninguna perturbación es sentida dentro del vehículo.
Una desventaja de este sistema es que la utilización directa de superconductores provoca grandes campos magnéticos dentro del vehículo, o sea la zona donde se encuentran los pasajeros, por lo que se deben utilizar complejos sistemas de aislamiento de la radiación magnética (sobre los superconductores) para no perjudicar la salud de los pasajeros. Otra desventaja son los grandes costos de los materiales superconductores y de los potentes sistemas de refrigeración necesarios para mantener a estos a una baja temperatura.
Tanto el sistema EMS como el EDS utilizan una onda magnética que se desplaza a lo largo del carril guía para proporcionar energía al tren maglev mientras se encuentra suspendido sobre el raíl.
2. Principio de guía lateral.
Si el tren por alguna causa se hundiese en el carril-guía este respondería con un aumento de la fuerza repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento; en contraste con el sistema EMS en el cual la fuerza atractiva aumenta si el vehículo se acerca a la guía.
3. Principio de propulsión
Un tren maglev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados. Fig. (5)

El principio básico para los cálculos de la fuerza del motor es la ley de Lorente, la cual dice que la interacción entre una corriente y un campo magnético en un conductor genera una fuerza, como se muestra a continuación:

“F” es la fuerza que generará el movimiento del vehículo, “i” la corriente del elemento sobre el cual se calcula la fuerza, “l” la longitud del conductor inmersa dentro del campo y “B” la densidad de campo magnético.
Gracias a la segunda ley de Newton se sabe que la sumatoria de fuerzas en un sistema en determinado instante de tiempo es igual a cero; este hecho está directamente relacionado con que se pueda suponer el cálculo de la fuerza en dos sentidos; uno en que el imán produce la fuerza sobre el estator y otro en que el estator produce una fuerza que hace mover el imán, o más exactamente el vehículo.
En este caso se asumirá que el campo generado por el estator, generará la fuerza para que el vehículo se mueva.
La fuerza magnética y la fuerza mecánica que se opone se compara instante a instante. La fuerza magnética induce aceleración y a la vez velocidad sobre el vehículo, y de esta manera un desplazamiento. Si se repite este cálculo en cada momento se tendrá la ubicación del vehículo en cualquier instante de tiempo en
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 la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados para permitir al tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente, ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se aleje de la vía.

En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por debajo del carril-guía formando un lazo:Fig.(4)
Así, cuando el vehículo se desplaza lateralmente, una corriente eléctrica es inducida en el lazo, lo que da como resultado una fuerza repulsiva del lado más cercano a las bobinas de levitación, obligando al vehículo a centrarse.
La energía que se utiliza para levitación y para la estabilización o guía del vehículo se obtiene por medio de inducción magnética, es decir, no se necesita energía adicional para la levitación ni para la estabilización. Las bobinas ubicadas en la pared de la pista están configuradas como un ocho. De acuerdo con las leyes del electromagnetismo para la generación de voltajes, se crea un voltaje cuando un conductor que está en movimiento está inmerso dentro de un campo magnético, como se muestra en la siguiente ecuación:

“vel” es la velocidad, “B” la densidad de campo magnético que atraviesa el conductor y “l” la longitud del conductor inmerso en el campo magnético. función de los parámetros físicos que gobiernan el sistema, como se muestra en las ecuaciones a continuación.

Es importante entender que la posición en que se presenta el campo magnético máximo cambia en cada instante de tiempo, por lo que cada determinado tiempo de muestreo se deben recalcular la nueva posición del campo y del vehículo. La velocidad con que se desplaza el campo magnético está dada por:

En este caso “vel” es la velocidad, “f” la frecuencia que alimenta el sistema trifásico, “A” es el espacio ocupado por tres ranuras y tres dientes del núcleo, es decir una de las polaridades del campo que se desplaza.

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 está compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS.

El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión de polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante. Fig. (6)

Este campo magnético (también llamado “onda magnética”) viajará junto al tren a través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar. Así, el rotor viajará a la misma velocidad que el campo magnético.

La regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la frecuencia de la onda magnética (o sea, variando la frecuencia de la corriente alterna) o bien variando el número de espiras por unidad de longitud en el estator y el rotor.

Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es provista por las vías. Esto permite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía en secciones, de manera que cada una tenga su alimentación, de esta manera solamente estarán activos aquellos tramos de la vía por los que en ese momento esté transitando el tren. Fig. (7)
Los trenes maglev, gracias a su sistema de propulsión, son capaces de circular por desniveles de hasta 10 grados, en contraste con los trenes convencionales que sólo pueden circular por pendientes con desniveles de hasta 4 grados.

Además, la velocidad que alcanzan los trenes maglev es muy superior a la alcanzada por los trenes convencionales (inclusive los trenes eléctricos), llegando hasta 500 Km/h (hasta el momento) y su consumo es de solamente un 40 % del combustible usado por un automóvil por pasajero y kilómetro, debido a la reducción del rozamiento con la vía.

4. Mecanismo de frenada.

El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al avance del tren.

Es posible aumentar aún la capacidad de frenada, en situaciones de extrema emergencia, mediante el uso de un sistema de frenado aerodinámico, el cual amplía la superficie frontal del tren. También lo podemos utilizar para ayudar al motor de manera de no tener que forzarlo demasiado. Fig. (8)

Galería Método

Resultados

De acuerdo con lo investigado las tendencias a futuro de la levitación magnética son:
Coches Maglev: Algunos grupos de investigación están trabajando arduamente en su desarrollo con el objetivo desarrollar los coches de vuelo.
Ascensores Maglev: Japón tenía previsto abrir en 2008 el primer ascensor Maglev en Tokio. También se habla en la actualidad de ascensores espaciales, idea en pleno desarrollo en la NASA.

Lanzaderas Maglev: la NASA está trabajando en una lanzadera sobre la base de Maglev para reducir el costo y los problemas de lanzamiento de aeronaves espaciales. El proyecto se está llevando a cabo en colaboración con la Armada, que está interesada en facilitar el lanzamiento de aviones. Fig. (9)
Además, una pista operacional tendría unos 2400 metros de longitud y sería capaz de acelerar al vehículo a unos 1000 Km/h en 9,5 segundos, el que luego debería cambiar a motores a bordo para completar la salida al espacio. La parte más costosa de una misión a una órbita terrestre baja son los primeros segundos, el despegue. La mayor parte de este gasto se debe al peso del propergol, y como un vehículo maglev utiliza electricidad para acelerarse, el peso de la nave espacial al momento del despegue podría ser de hasta un 20% menos que en un cohete normal. Además, este sistema es reutilizable, ya que la pista que se usa para acelerar al vehículo se queda en el suelo. Otros beneficios son que la electricidad no contamina y es mucho más barata. Cada lanzamiento realizado utilizando tecnología maglev (con vehículos a escala real) consumiría cerca de 60€ de electricidad en el mercado actual. Un sistema maglev de este tipo no necesitaría (idealmente) ningún tipo de mantenimiento, ya que no hay partes movibles y no existe contacto entre el vehículo y la pista. Tanto es así que se espera que un sistema maglev funcione durante 30 años. Dentro de 20 años esta tecnología sería utilizada para poner vehículos mucho más grandes en órbita por sólo cientos de euros por kilogramo, un gran contraste con el valor actual de 4000€ (cuatro mil euros) por kilogramo. Pruebas con naves a escala se realizan en la actualidad en la NASA.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que si es posible usar la energía renovable como la levitación magnética en el transporte. ¿en que nos beneficia esto? Vamos a evitar el uso de energías no renovables e incluso el traslado de un lado a otro va a ser mucho más rápido y seguro.

Bibliografía

1. Cristian Camilo Segura Pinzón. (-). LEVITACIÓN MAGNÉTICA EN SISTEMAS DE TRANSPORTE.
Marzo 2017, de Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería
Civil y Agrícola Sitio web:
https://electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/LEVITACI%C3%93N+MAGN%C3%89TICA
.pdf
2. Ángel Franco García. (5 de Mayo de 2008). Levitación magnética. Marzo 2017, de – Sitio web:
https://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/materiales/superconductor/superconductor.html
3. Gabriel Perren. (2003). ESTUDIO DE LAS APLICACIONES PRÁCTICAS DE LA LEVITACIÓN
MAGNÉTICA (TRENES MAGLEV). Marzo 2017, de – Sitio web:
https://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/MagLev.pdf
4. www.wikipedia.com
5. www.buenastareas.com
6. www.terra.es
7. www.taringa.net
8. www.youtube.com

Summary

Magnetic levitation if it is possible to use in the transport to make it faster and safer, even if it is not an easy task it will be a great benefit both for us and the planet.

Research Question

How can magnetic levitation be used to avoid the use of non-renewable energy in transportation?

Problem approach

The actual world faces many problems and one of them is transport due to the use of non-renewable energy and the disorder with which it is carried out, for this reason I find a solution to this problem. That’S how we find the magnetic technology

Background

Objective

To study of the practical applications of magnetic levitation

Justification

I am interesting in this topic because I wanted to know what alternatives had to avoid the use of non-renewable energies

Hypothesis

If Mexicans we used renewable energies such as magnetic levitation so there would be less pollution

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Therefore, we come to the conclusion that if it is possible to use renewable energy as magnetic levitation in transport. What does this benefit us? We will avoid the use of non-renewable energies and even moving from one side to the other will be much faster and safer.

Bibliography

1. Cristian Camilo Segura Pinzón. (-). LEVITACIÓN MAGNÉTICA EN SISTEMAS DE TRANSPORTE.
Marzo 2017, de Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería
Civil y Agrícola Sitio web:
https://electromagnetismo2010a.wikispaces.com/file/view/LEVITACI%C3%93N+MAGN%C3%89TICA
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2. Ángel Franco García. (5 de Mayo de 2008). Levitación magnética. Marzo 2017, de – Sitio web:
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