Vehículo

Un vehículo necesita una fuente de energía para funcionar. Esta energía puede obtenerse de fuentes externas, como en el caso de un velero , un coche solar o un tranvía eléctrico que utiliza catenarias. También puede almacenarse, siempre que pueda transformarse bajo demanda y que la densidad energética y la densidad de potencia del medio de almacenamiento sean suficientes para cubrir las necesidades del vehículo.

La energía humana es una fuente de energía simple que no requiere más que personas. A pesar de que los humanos no pueden superar los 500 W (0,67 hp) durante períodos de tiempo significativos, ^{[ 41 ]} el récord de velocidad terrestre para vehículos impulsados ​​por energía humana (sin guía) es de 133 km/h (83 mph) , a partir de 2009 en una bicicleta reclinada . ^{[ 42 ]}    

La fuente de energía que impulsa los vehículos es el combustible . Los motores de combustión externa pueden usar casi cualquier cosa que arda como combustible, mientras que los motores de combustión interna y los motores de cohete están diseñados para quemar un combustible específico, generalmente gasolina, diésel o etanol . El combustible que impulsa los vehículos no motorizados, como bicicletas, bicitaxis y otros vehículos controlados por peatones, es el combustible.

Otro medio común para almacenar energía son las baterías , que tienen las ventajas de ser sensibles, útiles en un amplio rango de niveles de potencia, respetuosas con el medio ambiente, eficientes, fáciles de instalar y de mantener. Las baterías también facilitan el uso de motores eléctricos, que tienen sus propias ventajas. Por otro lado, las baterías tienen bajas densidades de energía, una vida útil corta, un rendimiento deficiente a temperaturas extremas, largos tiempos de carga y dificultades con su eliminación (aunque generalmente se pueden reciclar). Al igual que el combustible, las baterías almacenan energía química y pueden causar quemaduras e intoxicación en caso de accidente. ^{[ 43 ]} Las baterías también pierden efectividad con el tiempo. ^{[ 44 ]} El problema del tiempo de carga se puede resolver intercambiando baterías descargadas por cargadas; ^{[ 45 ]} sin embargo, esto genera costos de hardware adicionales y puede ser poco práctico para baterías de mayor tamaño. Además, debe haber baterías estándar para que el intercambio de baterías funcione en una estación de servicio. Las celdas de combustible son similares a las baterías en que convierten la energía química en energía eléctrica, pero tienen sus propias ventajas y desventajas.

Las vías electrificadas y los cables aéreos son una fuente común de energía eléctrica en metros, ferrocarriles, tranvías y trolebuses. La energía solar es un desarrollo más reciente, y se han construido y probado con éxito varios vehículos solares , incluido Helios , un avión propulsado por energía solar.

La energía nuclear es una forma más exclusiva de almacenamiento de energía, actualmente limitada a grandes buques y submarinos, principalmente militares. La energía nuclear puede liberarse mediante un reactor nuclear , una batería nuclear o la detonación repetida de bombas nucleares . Se han realizado dos experimentos con aeronaves de propulsión nuclear: el Tupolev Tu-119 y el Convair X-6 .

La deformación mecánica es otro método para almacenar energía, mediante el cual una banda elástica o un resorte metálico se deforma y libera energía al volver a su estado inicial. Los sistemas que emplean materiales elásticos sufren de histéresis , y los resortes metálicos son demasiado densos para ser útiles en muchos casos.

Los volantes de inercia almacenan energía en una masa giratoria. Dado que un rotor ligero y rápido es energéticamente favorable, los volantes de inercia pueden representar un riesgo significativo para la seguridad. Además, los volantes de inercia pierden energía con bastante rapidez y afectan la dirección del vehículo a través del efecto giroscópico . Se han utilizado experimentalmente en autogiros .

La energía eólica es utilizada por veleros y yates terrestres como fuente principal de energía. Es muy económica y relativamente fácil de usar; los principales inconvenientes radican en su dependencia de las condiciones meteorológicas y su rendimiento contra el viento. Los globos aerostáticos también dependen del viento para desplazarse horizontalmente. Los aviones que vuelan en la corriente en chorro pueden beneficiarse de los vientos a gran altitud.

El gas comprimido es actualmente un método experimental para almacenar energía. En este caso, el gas comprimido se almacena en un tanque y se libera cuando es necesario. Al igual que los materiales elásticos, presenta pérdidas por histéresis cuando el gas se calienta durante la compresión.

La energía potencial gravitatoria es una forma de energía utilizada en planeadores, esquís, trineos y muchos otros vehículos que descienden pendientes. El frenado regenerativo es un ejemplo de captura de energía cinética, donde los frenos de un vehículo se complementan con un generador u otro medio para extraer energía. ^{[ 46 ]}

Cuando es necesario, la energía se toma de la fuente y es consumida por uno o más motores. A veces existe un medio intermedio, como las baterías de un submarino diésel. ^{[ 47 ]}

La mayoría de los vehículos de motor tienen motores de combustión interna . Son bastante económicos, fáciles de mantener, fiables, seguros y pequeños. Dado que estos motores queman combustible, tienen una gran autonomía, pero contaminan el medio ambiente. Un motor relacionado es el motor de combustión externa . Un ejemplo de este es la máquina de vapor. Además de combustible, las máquinas de vapor también necesitan agua, lo que las hace poco prácticas para algunos usos. Las máquinas de vapor también necesitan tiempo para calentarse, mientras que los motores de combustión interna suelen funcionar inmediatamente después de arrancar, aunque esto puede no ser recomendable en condiciones de frío. Las máquinas de vapor que queman carbón liberan azufre al aire, causando lluvia ácida nociva . ^{[ 48 ]}

Aunque los motores de combustión interna intermitentes fueron en su día el principal medio de propulsión de las aeronaves, han sido en gran medida reemplazados por motores de combustión interna continuos, como las turbinas de gas . Los motores de turbina son ligeros y, sobre todo cuando se utilizan en aeronaves, eficientes. ^{[ 49 ]} Por otro lado, son más caros y requieren un mantenimiento cuidadoso. También pueden dañarse por la ingestión de objetos extraños y producen gases de escape calientes. Los trenes que utilizan turbinas se denominan locomotoras eléctricas de turbina de gas . Ejemplos de vehículos terrestres que utilizan turbinas son el M1 Abrams , la MTT Turbine SUPERBIKE y el Millennium . Los motores de pulsorreactor son similares en muchos aspectos a los turborreactores, pero prácticamente no tienen partes móviles. Por esta razón, resultaron muy atractivos para los diseñadores de vehículos en el pasado; sin embargo, su ruido, calor e ineficiencia han llevado a su abandono. Un ejemplo histórico del uso de un pulsorreactor fue la bomba volante V-1 . Los pulsorreactores todavía se utilizan ocasionalmente en experimentos de aficionados. Con la llegada de la tecnología moderna, el motor de detonación pulsada se ha vuelto práctico y se probó con éxito en un Rutan VariEze . Si bien el motor de detonación pulsada es mucho más eficiente que el motor de pulsorreactor e incluso que los motores de turbina, aún presenta niveles extremos de ruido y vibración. Los estatorreactores también tienen pocas piezas móviles, pero solo funcionan a alta velocidad, por lo que su uso se restringe a helicópteros con propulsores de punta y aeronaves de alta velocidad como el Lockheed SR-71 Blackbird . ^{[ 50 ] [ 51 ]}

Los motores de cohete se utilizan principalmente en cohetes, trineos propulsados ​​por cohetes y aeronaves experimentales. Son extremadamente potentes. El vehículo más pesado que jamás haya despegado, el cohete Saturno V , fue propulsado por cinco motores de cohete F-1 que generaron una potencia combinada de 180 millones de caballos de fuerza ^{[ 52 ]} (134,2 gigavatios). Además, los motores de cohete no necesitan impulsarse desde ningún otro punto, un hecho que el New York Times negó erróneamente . Pueden ser particularmente simples, a veces consistiendo únicamente en un catalizador, como en el caso de un cohete de peróxido de hidrógeno ^{[ 53 ]} . Esto los convierte en una opción atractiva para vehículos como las mochilas propulsoras. A pesar de su simplicidad, los motores de cohete suelen ser peligrosos y propensos a explosiones. El combustible que utilizan puede ser inflamable, venenoso, corrosivo o criogénico. También presentan una baja eficiencia. Por estas razones, solo se utilizan cuando es absolutamente necesario.

Los motores eléctricos se utilizan en vehículos eléctricos como bicicletas eléctricas , patinetes eléctricos, pequeñas embarcaciones, metros, trenes , trolebuses , tranvías y aeronaves experimentales . Los motores eléctricos pueden ser muy eficientes: es común una eficiencia superior al 90 %. ^{[ 54 ]} Los motores eléctricos también pueden construirse para ser potentes, fiables, de bajo mantenimiento y de cualquier tamaño. Los motores eléctricos pueden proporcionar una gama de velocidades y pares sin necesidad de utilizar una caja de cambios (aunque puede resultar más económico utilizar una). El uso de los motores eléctricos está limitado principalmente por la dificultad de suministrar electricidad.

Los motores de gas comprimido se han utilizado experimentalmente en algunos vehículos. Son sencillos, eficientes, seguros, económicos, fiables y funcionan en diversas condiciones. Una de las dificultades que se presentan al usar motores de gas es el efecto de enfriamiento que produce la expansión del gas. Estos motores están limitados por la rapidez con la que absorben el calor de su entorno. ^{[ 55 ]} Sin embargo, el efecto de enfriamiento puede funcionar también como aire acondicionado. Los motores de gas comprimido también pierden eficacia al disminuir la presión del gas.

Los propulsores iónicos se utilizan en algunos satélites y naves espaciales. Solo son efectivos en el vacío, lo que limita su uso a vehículos espaciales. Los propulsores iónicos funcionan principalmente con electricidad, pero también necesitan un propulsor como el cesio o, más recientemente, el xenón . ^{[ 56 ] [ 57 ]} Los propulsores iónicos pueden alcanzar velocidades extremadamente altas y utilizan poco propulsor; sin embargo, consumen mucha energía. ^{[ 58 ]}

La energía mecánica que producen los motores debe convertirse en trabajo mediante ruedas, hélices, boquillas o medios similares. Además de convertir la energía mecánica en movimiento, las ruedas permiten que un vehículo ruede sobre una superficie y, con la excepción de los vehículos sobre raíles, que sea dirigido. ^{[ 59 ]} Las ruedas son una tecnología antigua, con ejemplares descubiertos de hace más de 5000 años. ^{[ 60 ]} Las ruedas se utilizan en una gran variedad de vehículos, incluidos vehículos de motor, vehículos blindados de transporte de personal , vehículos anfibios, aviones, trenes, patinetas y carretillas.

Las toberas se utilizan junto con casi todos los motores de reacción. ^{[ 61 ]} Entre los vehículos que utilizan toberas se incluyen aviones a reacción, cohetes y motos acuáticas . Si bien la mayoría de las toberas tienen forma de cono o campana , ^{[ 61 ]} se han creado algunos diseños poco convencionales, como el aerospike . Algunas toberas son intangibles, como la tobera de campo electromagnético de un propulsor iónico vectorial. ^{[ 62 ]}

En ocasiones, se utilizan orugas continuas en lugar de ruedas para impulsar vehículos terrestres. Las orugas continuas ofrecen las ventajas de una mayor superficie de contacto, reparaciones sencillas en caso de daños menores y una gran maniobrabilidad. ^{[ 63 ]} Ejemplos de vehículos que utilizan orugas continuas son los tanques, las motos de nieve y las excavadoras. El uso simultáneo de dos orugas continuas permite la dirección. El vehículo terrestre más grande del mundo, ^{[ 64 ]} el Bagger 293 , se impulsa mediante orugas continuas.

Las hélices (así como los tornillos, ventiladores y rotores) se utilizan para moverse a través de un fluido. Las hélices se han utilizado como juguetes desde la antigüedad; sin embargo, fue Leonardo da Vinci quien ideó uno de los primeros vehículos impulsados ​​por hélice, el "tornillo aéreo". ^{[ 65 ]} En 1661, Toogood & Hays adoptó el tornillo para usarlo como hélice de barco. ^{[ 66 ]} Desde entonces, la hélice se ha probado en muchos vehículos terrestres, incluyendo el tren Schienenzeppelin y numerosos automóviles. ^{[ 67 ]} En la actualidad, las hélices son más comunes en embarcaciones y aeronaves, así como en algunos vehículos anfibios como aerodeslizadores y vehículos de efecto suelo . Intuitivamente, las hélices no pueden funcionar en el espacio ya que no hay fluido de trabajo; sin embargo, algunas fuentes han sugerido que, dado que el espacio nunca está vacío , se podría hacer que una hélice funcionara en el espacio. ^{[ 68 ]}

De forma similar a los vehículos de hélice, algunos vehículos utilizan alas para la propulsión. Los veleros y planeadores se impulsan mediante la componente frontal de la sustentación generada por sus velas/alas. ^{[ 69 ] [ 70 ]} Los ornitópteros también producen empuje aerodinámicamente. Los ornitópteros con grandes bordes de ataque redondeados producen sustentación mediante fuerzas de succión en el borde de ataque. ^{[ 71 ]} La investigación en el Instituto de Estudios Aeroespaciales de la Universidad de Toronto ^{[ 72 ]} condujo a un vuelo con un ornitóptero real el 31 de julio de 2010.

Las ruedas de paletas se utilizan en algunas embarcaciones antiguas y en sus reconstrucciones. Estos barcos eran conocidos como vapores de paletas . Debido a que las ruedas de paletas simplemente empujan contra el agua, su diseño y construcción son muy sencillos. El barco de este tipo más antiguo en servicio regular es el Skibladner . ^{[ 73 ]} Muchos botes de pedales también utilizan ruedas de paletas para la propulsión.

Los vehículos de hélice se impulsan mediante cilindros con forma de barrena equipados con bridas helicoidales. Debido a que pueden generar empuje tanto en tierra como en agua, se utilizan comúnmente en vehículos todoterreno. El ZiL-2906 fue un vehículo de hélice de diseño soviético diseñado para rescatar cosmonautas de la inhóspita Siberia. ^{[ 74 ]}

La mayor parte de la energía útil producida por el motor se disipa generalmente por fricción; por lo tanto, minimizar las pérdidas por fricción es fundamental en muchos vehículos. Las principales fuentes de fricción son la fricción de rodadura y la resistencia del fluido (resistencia del aire o del agua).

Las ruedas tienen baja fricción de apoyo, y los neumáticos ofrecen baja fricción de rodadura. Las ruedas de acero sobre orugas de acero tienen una fricción aún menor. ^{[ 75 ]}

La resistencia aerodinámica se puede reducir mediante elementos de diseño aerodinámicos.

La fricción es deseable e importante para proporcionar tracción y facilitar el movimiento en tierra. La mayoría de los vehículos terrestres dependen de la fricción para acelerar, desacelerar y cambiar de dirección. Las reducciones repentinas de tracción pueden provocar la pérdida de control y accidentes.

La mayoría de los vehículos, con la notable excepción de los vehículos ferroviarios, tienen al menos un mecanismo de dirección. Los vehículos de ruedas se dirigen inclinando sus ruedas delanteras ^{[ 76 ]} o traseras ^{[ 77 ]} . El B-52 Stratofortress tiene una disposición especial en la que las cuatro ruedas principales pueden inclinarse. ^{[ 78 ]} Los patines también pueden usarse para dirigir inclinándolos, como en el caso de una moto de nieve . Los barcos, botes, submarinos, dirigibles y aviones generalmente tienen un timón para la dirección. En un avión, los alerones se usan para inclinar el avión para el control direccional, a veces asistido por el timón.

Sin aplicar potencia, la mayoría de los vehículos se detienen por fricción . Pero a menudo se requiere detener un vehículo más rápido que solo por fricción, por lo que casi todos los vehículos están equipados con un sistema de frenado. Los vehículos con ruedas suelen estar equipados con frenos de fricción, que utilizan la fricción entre las pastillas de freno (estatores) y los discos de freno para reducir la velocidad del vehículo. ^{[ 46 ]} Muchos aviones tienen versiones de alto rendimiento del mismo sistema en su tren de aterrizaje para su uso en tierra. Un freno de Boeing 757 , por ejemplo, tiene 3 estatores y 4 discos. ^{[ 79 ]} El transbordador espacial también utiliza frenos de fricción en sus ruedas. ^{[ 80 ]} Además de los frenos de fricción, los automóviles híbridos y eléctricos, los trolebuses y las bicicletas eléctricas también pueden utilizar frenos regenerativos para reciclar parte de la energía potencial del vehículo. ^{[ 46 ]} Los trenes de alta velocidad a veces utilizan frenos de corrientes de Foucault sin fricción ; sin embargo, la aplicación generalizada de la tecnología se ha visto limitada por problemas de sobrecalentamiento e interferencia. ^{[ 81 ]}

Además de los frenos del tren de aterrizaje, la mayoría de los aviones grandes tienen otros métodos de desaceleración. En los aviones, los frenos aerodinámicos son superficies aerodinámicas que proporcionan fuerza de frenado al aumentar la sección transversal frontal, incrementando así la resistencia aerodinámica de la aeronave. Estos se implementan generalmente como flaps que se oponen al flujo de aire cuando están extendidos y quedan al ras de la aeronave cuando están retraídos. El empuje inverso también se utiliza en muchos motores de avión. Los aviones de hélice logran el empuje inverso invirtiendo el paso de las hélices, mientras que los aviones a reacción lo hacen redirigiendo los escapes de sus motores hacia adelante. ^{[ 82 ]} En los portaaviones , se utilizan trenes de frenado para detener una aeronave. Los pilotos pueden incluso aplicar la máxima potencia hacia adelante al aterrizar, en caso de que el tren de frenado no se enganche y sea necesario un aterrizaje frustrado. ^{[ 83 ]}

Los paracaídas se utilizan para frenar vehículos que viajan a gran velocidad. Se han utilizado en vehículos terrestres, aéreos y espaciales como el ThrustSSC , el Eurofighter Typhoon y el Módulo de Comando Apolo . Algunos aviones de pasajeros soviéticos más antiguos tenían paracaídas de frenado para aterrizajes de emergencia. ^{[ 84 ]} Los barcos utilizan dispositivos similares llamados anclas de mar para mantener la estabilidad en mares agitados.

Para aumentar aún más la desaceleración o en caso de fallo de los frenos, se pueden utilizar diversos mecanismos para detener un vehículo. Los automóviles y el material rodante suelen tener frenos de mano que, si bien están diseñados para asegurar un vehículo ya estacionado, pueden proporcionar una frenada limitada si fallan los frenos principales. En ocasiones, se utiliza un procedimiento secundario llamado deslizamiento hacia adelante para reducir la velocidad de los aviones volando en ángulo, lo que genera mayor resistencia aerodinámica.

En la Unión Europea, las clasificaciones de los tipos de vehículos se definen mediante: ^{[ 86 ]}

• Directiva 2001/116/CE de la Comisión, de 20 de diciembre de 2001, por la que se adapta al progreso técnico la Directiva 70/156/CEE del Consejo, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre la homologación de vehículos de motor y sus remolques ^{[ 87 ] [ 88 ]}
• Directiva 2002/24/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 18 de marzo de 2002, relativa a la homologación de vehículos de motor de dos o tres ruedas y por la que se deroga la Directiva 92/61/CEE del Consejo.

La Comunidad Europea se basa en el sistema de homologación integral de vehículos (WVTA, por sus siglas en inglés). Bajo este sistema, los fabricantes pueden obtener la certificación para un tipo de vehículo en un Estado miembro si cumple con los requisitos técnicos de la CE y, posteriormente, comercializarlo en toda la UE sin necesidad de pruebas adicionales. La armonización técnica total ya se ha logrado en tres categorías de vehículos (turismos, motocicletas y tractores) y pronto se extenderá a otras categorías ( autocares y vehículos comerciales ). Los fabricantes de automóviles europeos deben tener garantizado el acceso al mayor mercado posible.

Si bien el sistema comunitario de homologación permite a los fabricantes beneficiarse plenamente de las oportunidades del mercado interno, la armonización técnica mundial en el contexto de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas ( CEPE ) ofrece un mercado más allá de las fronteras europeas.

En muchos casos, es ilegal conducir un vehículo sin licencia o certificación. La regulación menos estricta suele limitar la cantidad de pasajeros que el conductor puede transportar o prohibirlos por completo (por ejemplo, una licencia canadiense para ultraligeros sin endosos). ^{[ 89 ]} El siguiente nivel de licencia puede permitir pasajeros, pero sin ningún tipo de compensación o pago. Una licencia de conducir privada generalmente tiene estas condiciones. Las licencias comerciales que permiten el transporte de pasajeros y carga están reguladas de manera más estricta. La forma más estricta de licencia generalmente se reserva para autobuses escolares, transporte de materiales peligrosos y vehículos de emergencia.

Por lo general, se exige al conductor de un vehículo de motor que posea un permiso de conducir válido mientras circula por terrenos públicos, mientras que el piloto de una aeronave debe tener una licencia en todo momento, independientemente del lugar de la jurisdicción en el que vuele la aeronave.

A menudo se requiere que los vehículos estén registrados. El registro puede ser por razones puramente legales, por razones de seguro o para ayudar a las fuerzas del orden a recuperar vehículos robados. El Servicio de Policía de Toronto , por ejemplo, ofrece registro de bicicletas gratuito y opcional en línea. ^{[ 90 ]} En los vehículos motorizados, el registro suele tomar la forma de una placa de registro vehicular , lo que facilita la identificación de un vehículo. En Rusia , los camiones y autobuses tienen sus números de matrícula repetidos en grandes letras negras en la parte posterior. En las aeronaves, se utiliza un sistema similar, donde un número de cola está pintado en varias superficies. Al igual que los vehículos motorizados y las aeronaves, las embarcaciones también tienen números de registro en la mayoría de las jurisdicciones; sin embargo, el nombre de la embarcación sigue siendo el principal medio de identificación, como ha sido el caso desde la antigüedad. Por esta razón, los nombres de registro duplicados generalmente son rechazados. En Canadá , las embarcaciones con una potencia de motor de 10 hp (7,5 kW) o más requieren registro, ^{[ 91 ]} lo que lleva al omnipresente motor " 9,9 hp (7,4 kW) ".    

El registro puede estar condicionado a que el vehículo esté aprobado para su uso en carreteras públicas, como en el caso del Reino Unido ^{[ 92 ]} y Ontario. ^{[ 93 ]} Muchos estados de EE. UU. también tienen requisitos para los vehículos que circulan por carreteras públicas. ^{[ 94 ]} Las aeronaves tienen requisitos más estrictos, ya que representan un alto riesgo de daños a personas y propiedades en caso de accidente. En EE. UU., la FAA exige que las aeronaves tengan un certificado de aeronavegabilidad . ^{[ 95 ] [ 96 ]} Debido a que las aeronaves estadounidenses deben volar durante algún tiempo antes de ser certificadas, ^{[ 97 ]} existe una disposición para un certificado de aeronavegabilidad experimental. ^{[ 98 ]} Las aeronaves experimentales de la FAA tienen restricciones operativas, incluyendo la prohibición de sobrevolar áreas pobladas, en espacio aéreo congestionado o con pasajeros no esenciales. ^{[ 97 ]} Los materiales y piezas utilizados en las aeronaves certificadas por la FAA deben cumplir con los criterios establecidos por las órdenes de normas técnicas . ^{[ 99 ]}

En muchas jurisdicciones, el conductor de un vehículo está legalmente obligado a llevar consigo equipo de seguridad. Algunos ejemplos comunes son los cinturones de seguridad en los automóviles, los cascos en las motocicletas y bicicletas, los extintores en barcos, autobuses y aviones, y los chalecos salvavidas en barcos y aeronaves comerciales. Los aviones de pasajeros cuentan con una gran cantidad de equipo de seguridad, incluyendo toboganes inflables, balsas, máscaras de oxígeno, tanques de oxígeno, chalecos salvavidas, balizas satelitales y botiquines de primeros auxilios. Algunos equipos, como los chalecos salvavidas, han generado debate sobre su utilidad. En el caso del vuelo 961 de Ethiopian Airlines , los chalecos salvavidas salvaron a muchas personas, pero también provocaron numerosas muertes cuando los pasajeros los inflaron prematuramente.