POTENCIA Y PAR: QUÉ SON Y PARA QUE SIRVEN (I parte)

Durante la última semana, y además compruebo que es un tema con constantes "discusiones" entre los lectores del blog, ha habido especial debate sobre motores de 4 ó 6 cilindros. Intentaré aclarar un poco los conceptos dedicando 2 entradas consecutivas a alguna de las magnitudes físicas que definen un motor cuando se ensaya. Concretamente voy a tratar del par y de la potencia.

¿QUÉ QUIERO, PAR O POTENCIA?

¿Qué se prefiere un motor que entregue mucho par u otro que tenga una gran cifra de potencia máxima? Se trata de una discusión común entre aficionados a los motores. Por mi parte en el blog también he tratado periódicamente estos conceptos. Recomiendo leer "potencia del tractor" para enlazar con la actual entrada.
Para trabajar una parcela con una vertedera de 6 cuerpos se necesita “una gran fuerza” que venza la oposición de la tierra y así poder avanzar. ¿De donde proviene la fuerza?, el tractor debe vender la resistencia con el movimiento de rotación de las ruedas trasera, es decir con el par de giro de las ruedas. Pero ¿quién vence la resistencia del arado?, ¿es el par motor o la potencia motor? ¿Podría arar un tractor con motor “ridículo” de ciclomotor de 50 cm3?

momento, par o “fuerza de giro”: El Par Motor

La fuerza es al movimiento rectilíneo como el par lo es al movimiento giratorio. Si fuerza es lo que se necesita para arrastrar un bloque de piedra por el suelo, par sería lo que se necesita para mover una noria. La diferencia no es pequeña, en el primer caso sólo es necesaria la fuerza “del músculo”, en el segundo es muy importante la distancia a la que está aplicada respecto del eje de giro.

Momento de una fuerza (torque): Se trata de una magnitud vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza con respecto al punto al cual se toma el momento por la fuerza.
En el caso de un motor el valor del par dice con cuánta fuerza es capaz de hacer girar el motor o cuánta fuerza se puede sacar de ese giro.

En el motor de un tractor los movimientos rectilíneos de los pistones, se transforman en el cigüeñal en un movimiento rotativo y que se transmite a la transmisión como par y que es el resultado del producto de la fuerza centrifuga por el radio del volante de inercia y que se mide en el SI como Newton * metro (Nm)

Misma fuerza, diferente par (F. Fiatagri)

PAR Y TRABAJO: ANALOGIAS Y DIFERENCIAS
Ojo con los conceptos de “par” y “trabajo” que lleva a confusiones ya que ambos son el producto de fuerza * distancia. 

El Par se mide en N*m y realiza un trabajo W que se expresa en Julios (J) (energía que es el producto N*m) pero el trabajo es potencia por tiempo  W = P*t = F*v*t = F*d es decir, fuerza * distancia y aquí puede venir la confusión pues tienen unidades iguales pero en absoluto son conceptos equiparables. La diferencia es que para que la fuerza ejerza trabajo tiene que haber un desplazamiento en la dirección de la fuerza. Es decir el momento es una magnitud vectorial mientras que la energía es escalar.

En el motor del tractor cada dos vueltas se aporta combustible (4 tiempos) y el trabajo es W = M*2*2π (J); Siendo M el valor del Par motor (Nm), es decir que el trabajo es directamente proporcional al par motor

¿Qué es la Potencia?

Desarrollando, y midiendo, una Fuerza (Fiatagri)

La potencia mide la capacidad para realizar un trabajo en un tiempo determinado.
Imagínese que tenemos que hacer el siguiente trabajo: subir al pajar 10 sacos de paja.
El mismo trabajo se puede hacer o bien subiendo los 10 sacos en 1 viaje (habrá que ser muy fuerte para hacerlo pero alguno podría hacerlo), o se pueden subir sacos de 5 en 5 (2 viajes), o una tercera opción subir los sacos de 2 en 2 (5 viajes) o bien optar por dar más viajes y hacerlo de 1 en 1 (10 viajes) o ....

El trabajo realizado es el mismo, subir 10 sacos, pero empleando un tiempo diferente, es decir la potencia necesaria es diferente. Si se supone que el tiempo en cada viaje es independiente del número de sacos entonces concluimos que para la primera opción, subir los 10 sacos en 1 viaje, necesitamos a alguien muy potente (un tractor de enorme potencia), y sin embargo para subir los 10 sacos en 10 viajes, a saco por viaje, nos basta con alguien no excesivamente fuerte (un pequeño tractor)
La potencia desarrollada en el caso de 1 viaje con 10 sacos es 2 veces superior a la 2ª alternativa, 5 veces superior a la 3ª y 10 veces a la última.
En el caso de un motor el concepto es el mismo: Cuanta mayor potencia desarrolle un motor, en menor tiempo será capaz de realizar un trabajo determinado.

La unidad de potencia (SI) es el vatio (W), aunque como en motores es una unidad demasiado pequeña, se suelen usar el kilovatio (kW= 1.000 W); y en el mundo agrícola tenemos inculcado el Caballo de Vapor (CV) = 735,45 W (el Caballo de vapor “inglés”, es ligeramente diferente, HorsePower (HP) = 745 W)

Potencia = Fuerza * velocidad (Fiatagri)

Un ejemplo más, si en el caso de los sacos no hubiésemos utilizado el mismo tiempo en cada viaje podría darse el caso de que por ejemplo subir los 10 sacos en 1 viaje se tardase 10 minutos, 1*10 = 10´; mientras que en el último caso cada saco se sube en 1´, luego 10*1 = 10´. Es decir exactamente el mismo tiempo: ahora lo que se ve es que se ha realizado el mismo trabajo en mismo tiempo, es decir igual potencia (que recuerdo que es el producto de fuerza por velocidad), ¿qué significa esto?, pues que no importa como conseguir la potencia ya que se puede conseguir vía fuerza o vía velocidad.

ENTONCES, VUELVO A PREGUNTAR, ¿POTENCIA O PAR?

En el apartado anterior queda claro, espero, que la potencia es la cantidad de trabajo que puede efectuar un cuerpo humano o una máquina.

La ecuación que relaciona par motor y potencia es, P=M*w siendo w la velocidad angular (en rad/s), o lo que es lo mismo la Potencia desarrollada es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión. A mayor velocidad de giro o revoluciones mayor potencia. Esta relación se mantiene hasta alcanzar el motor el máximo número de revoluciones para el que se proyecta.

Si nuestro motor da un par de 1000 Nm a 2.000 rpm (209 rad/s) origina una potencia P=1000 x 209 = 209.000 W = 280 CV

Un F-1 no tiene más par que un tractor de 200 CV, pero el F-1 llega casi a 1000 CV

Si no hay desplazamiento la potencia es 0 (Fiatagri)

Conceptos a tener muy claros: Es mejor que nuestro motor tenga “mucho par” o bien “mucha potencia” Quizá lo más importante para responder a esa pregunta que se suele hacer mucha gente es tener claro este concepto: La potencia se conserva, a excepción de las pérdidas por rozamiento mientras que el par se va transformando cada vez que hay un engranaje de por medio.

Este concepto es clave. Mientras que la potencia se conserva incluso al pasar del movimiento lineal de los pistones al giratorio del cigüeñal o posteriormente de la potencia transmitida al suelo por la rueda que vuelve a convertir el movimiento giratorio en lineal, el par va cambiando “sin ton ni son”. La potencia es la misma a la salida del cigüeñal que a la salida de la caja de cambios e incluso una vez puesta en el suelo por la rueda.

Imagínese un tractor de 50 CV frente a uno de 100 CV, el de 100 CV puede poner el doble de potencia en el suelo que el de 50 CV pero sin embargo ese razonamiento no vale para el par. Claro seguro que ahora el lector está pensando entonces lo que de verdad me importa es el par. Sin embargo pensemos en nuestro “tractorcito de 100 CV” que puede tirar de un remolque de 20000 kg, ahora pongamos el McLaren de Fernando Alonso de 1000 CV a tirar del mismo remolque…. ¡ni lo mueve!, luego ¡la potencia no importa, si no el par!

¿INDURAIN O CONTADOR?

Parece que Indurain tenía “más motor” que Contador, además analizando la forma de subir el “tourmalet” por ambos ya indica algo. Indurain iba dando pocas pedaladas, Contador da muchas más. Indurain podía, quizá, subir con un plato grande y dar 30 pedaladas/min, Contador opta por un plato pequeño y da, por ejemplo, 45 pedalas/min, pero el resultado es el mismo: ambos son unos impresionantes campeones. P = M*w La velocidad angular no es la misma, tampoco el par, pero el producto es igual

Indurain sería un “motor diesel” con mucho par y pocas revoluciones. Contador, “motor de gasolina”, muchas revoluciones pero poca fuerza. Ambos pueden ganar.

Un par motor de 1000 Nm (100 kgm) significa que hace una fuerza de 100kg en un eje, con una palanca de 1 metro.

Para hacer ese mismo par en una bicicleta y pensando que la fuerza máxima que puede hacer un hombre son 10 kg habría que poner unas bieletas de 10 m y siguiendo con el ejemplo pero trasladándolo al caso de un cigüeñal de un motor con 20 cm de radio (R en la figura) la fuerza sería de 100/0,2 = 500 kg

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By: Catalán Mogorrón, H.

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