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TREN DE LEVITACION MAGNETICA Vanesa Arboleda Sánchez y Melissa Vásquez Aristizabal. RESUMEN Maglev como también se le conoce, o Levitación Magnética es un sistema de transporte veloz, silencioso y suave que se está utilizando principalmente en trenes y hace que el medio de transporte se quede suspendido en el aire por la fuerza de potentes imanes. Sistema de transporte ferroviario en el cual el tren levita sobre una vía sustentado por campos magnéticos. Este estado de suspensión limita el rozamiento del convoy al aire ambiental, permitiendo a este sistema ferroviario alcanzar velocidades casi imposibles de conseguir Palabras clave: levitación, fuerza, campo, cinemática y tren. Objetivos específicos INTRODUCCIÓN En ésta parte experimental expondremos el tema de levitación magnética usando como herramienta el tren de levitación magnética, que tiene como principal característica el hecho de que no tiene contacto alguno con ninguna superficie, pues está sustentado en un campo de gravitación magnética proporcionado por las áreas de atracción y repulsión entre los imanes, haciendo que este flote y se impulse a lo largo del carril sin ningún contacto con el mismo. Aquí analizaremos todas las características utilizadas de la física para la elaboración del tren de levitación magnética.

OBJETIVOS Objetivo general -

Elaborar un dispositivo que aproveche la fuerza de repulsión entre dos campos magnéticos para producir un movimiento de traslación tal como ocurre en el tren magnético.

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Exponer de manera práctica y teórica el funcionamiento del tren de levitación magnética. Estudiar cómo influyen la fuerza magnética, el campo magnético, la cinemática y las leyes de newton mediante la elaboración de una maqueta de un tren de levitación magnética.

MARCO TEORICO Se le denomina levitación magnética al fenómeno por el cual un cuerpo puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes. El estudio del magnetismo inició con el descubrimiento de los imanes por los griegos, y sus alcances han llegado hasta la consecución de la levitación de un tren en Japón.

Figura 1. Diferencia entre varios tipos de levitación magnética. 1. Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes superconductores del tren y las bobinas de la vía.

3. 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.

El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:  

El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía. El inducido son las bobinas superconductoras del tren.

La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección. El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía, las cuales pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto. Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento. 2. 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 (electrodynamic suspension o suspensión electrodinámica).

Figura 2, esquema de la suspensión EMS Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Ya que el carril no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en dirección a éste elevando con ellos el tren completo. Los 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. 4. 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 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:

Figura 5, esquema de un motor lineal en un tren Maglev 6.

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. Figura 4, principio de guía lateral 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. 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. 5.

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, como se ve en la figura:

Figura 6, aerodinámico

mecanismo

de

frenado

DISEÑO EXPERIMENTAL Enrollando hilo de cobre desnudo hasta formar una bobina se fabrica “la vía” que juega el papel de uno de los electroimanes. Esto se logra al hacer circular por el hilo una corriente, generándose así en su interior un campo magnético.

llevan al conjunto pila-imán a desplazarse hacia delante. MATERIALES Y METODOS MATERIALES: Figura 7, campo magnético.

En cuanto al tren, que será el elemento impulsado, para simularlo basta con una pila unida a dos imanes, situados cada uno en uno de sus extremos. Como se muestra más adelante, es fundamental que los polos del imán estén orientados en sentidos opuestos entre sí, ya que, sino las fuerzas que se generen entre cada uno de los campos magnéticos de los imanes y el producido por la bobina se anularán, haciendo que el tren no se mueva.

Figura 8, simulación de tren. Cuando se introduce el conjunto pila + imanes en la bobina de cobre por uno de los extremos de la pila (el positivo) saldrá la corriente, recorrerá la parte de la bobina correspondiente y se acabará cerrando el circuito por el otro extremo de la pila (el negativo). Esta es la corriente que convierte a la bobina en un electroimán, con la dirección que se ha mostrado en la primera figura. Cuando este electroimán coincide en orientación con el imán trasero, las fuerzas de repulsión que se generan entre ellos generan una fuerza en el sentido de avance del tren. Adicionalmente, la orientación contraria del imán delantero, causa una fuerza de atracción que supone un empuje adicional también en ese sentido. Ambas fuerzas, representadas en amarillo en la última figura,

    

Alambre de cobre Tubo PVC 6 imanes Pila AAA Un bombillo led

DESARROLLO EXPERIMENTAL Paso Enrollar el hilo de cobre alrededor de la varilla.

Identificar los polos de los imanes. Acercarlos entre sí e identificar las dos caras de los mismos que se repelen.

Colocar los imanes, cada uno en un extremo de la pila.

Introducir el sistema pila + imanes en el interior de la bobina en el sentido de avance del mismo

Imagen

Velocidad: el desplazamiento de la partícula en un intervalo de tiempo.

RESULTADOS, DISCUSIÓN Y ANALISIS Leyes de newton Esta ley está directamente relacionada ya que gracias a ella 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. Según esta ley: F = m.a 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.

Aceleración: alteración de la velocidad con la que se mueve un cuerpo en una determinada trayectoria. En un tren de levitación magnética real, el sistema es tan complejo que por la acción del motor y del trayecto, que no siempre es recto ni plano. Sin embargo, en el experimento que se realizó debido a las condiciones y para simplificar su elaboración, fue posible observar un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, ya que la trayectoria es una línea recta y su aceleración es constante. La aceleración y desaceleración del tren está dada por la inclinación del riel. Algunas fórmulas movimiento son: 

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, = ma

i) ==> mg − kv + F(y,

i)

La levitación del tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión. Cinemática La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento de los objetos en el espacio, sin tener en cuenta sus causas (fuerzas), particularmente estudia los conceptos de velocidad (rapidez) y aceleración.





que

describen

este

Velocidad media con aceleración constante: s v= t Donde s es el desplazamiento y t el tiempo transcurrido La velocidad se puede expresar como la derivada de la posición, y en sentido contrario, como la integral de la aceleración: ds v= dt v (t )=∫ a ( t ) dt La aceleración media se puede expresar de la siguiente manera: v a= t La aceleración también es la derivada de la velocidad con respecto al tiempo, o la segunda derivada de la posición con respecto al tiempo: dv a= dt

Velocidad y aceleración vectoriales: este tipo de velocidad y aceleración se debe analizar cuando el movimiento se da en dos o tres dimensiones, pero debido a que el tren de levitación magnética sólo se desplaza unidireccionalmente, no se tiene en cuenta este tipo de movimientos.



Fuerza magnética y campo magnético La suspensión del tren en el aire se alcanza debido a que los imanes crean a su alrededor un campo magnético que a su vez crea las llamadas líneas de fuerza magnética. La suspensión del tren en el aire se da gracias a que se posicionaron los imanes de tal forma que los polos iguales quedaran justo en frente uno del otro haciendo que las líneas de fuerza de dichos campos magnéticos no se encuentran dirigidas la una a la otra (hacia el centro), si no que van hacia afuera creando repulsión.



de cobre 100% desnudo, el cual es recomendado para crear este fenómeno. El tren de levitación magnética trabaja gracias a las fuerzas de interacción magnética que se dan entre los imanes adheridos en cada extremo de la pila por fuerzas de atracción y el electroimán que se forma por la unión de la bobina con la pila, lo que genera un campo electromagnético, dentro del cual se encuentran fuerzas de atracción que permiten que haya una búsqueda de unión y una fuerza de repulsión que le da una base de propulsión al vagón representado por la pila. Al momento de adherir los imanes a la pila se debe respetar la repulsión entre ambos extremos para evitar que se generen dos fuerzas de atracción con el electroimán lo cual impediría el movimiento del vagón

REFERENCIAS

Figura 7, fuerza y campo magnética.

CONCLUSIONES 

No se consiguió hacer el aprovechamiento de las fuerzas de atracción y repulsión generado por el electroimán creado por la bobina, debido a que no se contaba con alambre

CORTEZ-CABRERA G, M.-O. L.-B.-R. (2020). Levitación Magnetica . Ciudad de Mexico. EcuRed. (4 de 05 de 2020). Obtenido de EcuRed: https://www.ecured.cu/Tren_de_levitaci%C3%B3n_magn %C3%A9tica Levitación magnética . (4 de 05 de 2020). Obtenido de Levitación magnética : http://levmagn2272.blogspot.com/2018/01/blog-post_7.html Perren, G. (2003). Estudio de las aplicaciones prácticas de la levitación magnética. Ruiz, J. D. (4 de 05 de 2020). Obtenido de https://repository.eafit.edu.co/bitstream/handle/10784/2799/RiosRuiz_JuanDavid_2010.pdf? sequence=1&isAllowed=y Tren magnético. (4 de 05 de 2020). Obtenido de http://rsefalicante.umh.es/ProblemasExperimentosElectromagnetismo/tren_magnetico/Tren_magnetic o.pdf...