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Motores marinos: el Par motor y la potencia

 

 

Todo el mundo ha oído hablar del par motor, y sin embargo para la mayoría sigue siendo un dato misterioso... que si está relacionado con la potencia del motor y con sus revoluciones… Veámoslo de una forma clara.

A veces se habla de un fueraborda que tiene mucho par motor, o que conviene tener un buen par motor a bajas revoluciones, o que debemos fijarnos en la elasticidad del motor…

A veces escuchamos demasiadas cosas sin mucho sentido. Lo mejor es aclarar los conceptos para entender bien sobre este asunto.

Los motores en general entregan trabajo a cambio de quemar combustible y este trabajo lo entregan como energía mecánica de rotación al girar el eje de salida en donde va montada la hélice. Pongamos un ejemplo:

 

Si intentamos sujetar un coche que se pone en marcha, atando una cuerda a su parte de atrás, necesitaremos mucha fuerza. Es mejor intentarlo con un Vespino!

Se trata de una magnitud lineal porque la fuerza se manifiesta en una dirección. Pero si intenta sujetar el giro de una hormigonera abrazando con fuerza su tambor, se encontrará también con un problema. Mejor inténtelo con el exprimidor de naranjas de la cocina. La fuerza de giro necesaria para pararlo es lo que llamamos par motor.

Es decir, hablamos de fuerzas cuando se trata de magnitudes lineales como por ejemplo el peso que tira de una cuerda, y de par motor (o momento de fuerza) cuando se trata de una fuerza pero para las cosas que giran. 

Los físicos utilizan la distancia al eje para relacionar el par motor con la fuerza lineal.  El “par de fuerza” es igual al producto de la fuerza lineal multiplicada por la distancia que hay hasta el eje de giro.

 

Convertir la fuerza en par

En el fondo, cualquier motor de explosión genera fuerza lineal en el movimiento del pistón debido a la enorme presión de la explosión, que es convertida en par motor en el cigüeñal gracias a las bielas.

                       

De igual forma, cuando tenemos que quitar una rueda pinchada del coche, no es lo mismo utilizar una llave pequeña (como las que vienen de serie en los coches), que meter una de esas grandes llaves en forma de cruz y cuanto más grande mejor. En estos casos, aunque lo más cómodo sea llamar a la grúa, comprobamos que cuanto mayor sea el brazo (distancia al eje) con el que aplicamos la fuerza lineal de nuestros fornidos brazos, mayor será el “par de fuerza” y más fácilmente sacaremos los tornillos de la rueda. Como la fuerza se mide en Newtons y las distancias en metros (en el sistema internacional de medidas claro), tendremos que el famoso “par” se expresa salvo para los díscolos ingleses, en (Newtons x metro) o resumidamente Nm.

Cuanto más grande sea la distancia al eje, mayor es el “par”. Por esa razón las ruedas de los timones grandes se mueven mejor y tendremos por tanto mayor sensibilidad en las manos. En los barcos regateros se utiliza por esta razón ruedas de diámetro más bien generoso.

 

 

La potencia de un motor

Sencillo! Ya sabemos lo que es el par motor. Antes de continuar viendo como se conjuga todo esto con nuestros motores marinos, debemos aclarar algo sobre la famosa potencia de los motores.

 

Para empezar comentaremos que lo importante en un motor es la potencia y no el par motor. La potencia es la capacidad que tiene un motor para entregar trabajo. Es decir para entregar trabajo en cada unidad de tiempo, que es justamente la definición de lo que es la potencia; Trabajo/tiempo.

 

Para nuestro caso con los motores marinos, es más interesante ofrecer la definición de potencia, como el producto del “par” multiplicado por el régimen de giro del motor. Si hacen un poco de matemáticos con algunas ecuaciones, podrían ver que es rigurosamente lo mismo, pero esta segunda definición es muy cómoda para calcular la potencia que entrega un motor para cada régimen de giro.

 

Cuando los fabricantes de motores quieren calcular la curva de potencias del motor, para cada régimen de revoluciones utilizan una máquina que frena el eje del motor hasta pararlo. De esta manera se sabe la potencia que entrega el motor a esas revoluciones, multiplicando las revoluciones a las que iba el motor por el par de frenado que ha necesitado aplicar la máquina para detener el giro. 

 

 

Cómo aumentar el par

 

El tractor que tira del arado genera una enorme fuerza para conseguir airear las tierras de la huerta. Sus grandes ruedas entregan un “par” muy grande. Y sin embargo lo importante no es el par. Podríamos sustituir el potente motor del tractor por uno de cortacésped y aplicando una buena reductora de engranajes para reducir el desarrollo, conseguir el mismo ”par” capaz de tirar del arado. Funcionaría, pero el campo sería desgraciadamente arado a la velocidad de un caracol.

El pequeño par del motor de cortacésped ha sido multiplicado a lo bestia mediante la reductora o caja de engranajes para conseguir la fuerza necesaria capaz de tirar del arado. Como la potencia del cortacésped es mucho menor, tardaremos mucho más en terminar todo el trabajo de labranza.

Con nuestro motor marino ocurre lo mismo que con el tractor. Si quisiéramos aumentar el par motor, simplemente montaríamos una reductora antes de la hélice. Aumentará el par motor, pero la hélice girará más lenta. Lo importante es que la potencia de propulsión se mantiene constante. El “par” se puede modificar, pero la potencia, es decir la capacidad de producir trabajo se mantiene constante. La potencia es lo que verdaderamente importa.

Ya comentamos que la potencia es igual al producto del par motor por la revoluciones a las que gira, de modo que si mediante una reductora multiplicamos por dos el par motor, a cambio habremos reducido las revoluciones a la mitad. La potencia se mantiene constante.

 

 

Cuando pulsas la palanca de gases, lo que sientes en el cuerpo es la potencia del motor, no el par motor. La potencia es la que permite producir aceleración y darnos esa sensación de “chupinazo” en el cuerpo. A misma potencia dada por unos motores, cuanto menos pese la embarcación, más aceleración obtendremos. Es decir, con una misma motorización, si bajamos el peso del barco a la mitad, obtendremos el doble de aceleración. De allí la importancia de utilizar fibra de carbono y no meter ni un kilo de más en los barcos de altas prestaciones.

Como ya dijo un buen periodista de coches, la potencia y el par motor es como nuestro sueldo y la periodicidad con la que nos pagan... Suponga que le ofrecen un sueldo muy elevado (par motor), lo importante es saber cada cuanto tiempo se lo van a pagar (las revoluciones del motor). El producto de estas dos cantidades es lo verdaderamente a usted le debería importar (la potencia). De nada vale mediante un engranaje doblar el par motor si con ello bajamos las revoluciones a la mitad. Al final te quedas igual. Es como si te pagan el doble de sueldo pero cada dos meses en vez de cada mes. Insistimos, lo importante es la potencia que es el producto de estos dos valores.

 

 

 

Y sin embargo es una información valiosa

 

Cuando miramos las características de un motor lo que vemos es una curva del par motor para cada régimen de trabajo. O lo que es lo mismo, cómo es de grande la fuerza de giro que ofrece el motor para cada régimen de revoluciones.

 

Esta curva nos indica en donde trabaja mejor el motor, y que baches o picos brillantes ofrece. A veces el fabricante ofrece directamente la curva de potencia a cada régimen de giro del motor, pero esta tendrá el mismo aspecto que la curva del par motor (ya que para cada régimen de giro la potencia es el producto del par motor multiplicado por las revoluciones). De hecho, lo que se mide verdaderamente en el banco de pruebas es el par motor y no la potencia.  

 

 

 

La curva del par motor: Velocidad de crucero

A bajas revoluciones el motor entrega muy poca potencia, y sin embargo se mantienen muchas perdidas mecánicas por rozamientos haciendo que el par a bajas revoluciones sea siempre bajo. En muy altas revoluciones se producen desagradables fenómenos mecánicos como la flotación de los muelles de las válvulas o barridos insuficientes en los cilindros, lo que conduce también a caídas en el par motor. A veces simplemente el fabricante “programa” una caída del par motor a por ejemplo 4.000 revoluciones porque sabe que es en ese régimen en donde el ministerio de industria va a pasar las pruebas de homologación, emisiones de ruido y de gases. Esto se hace modificando de forma muy fácil algunos parámetros de forma electrónica como el avance de encendido o ajustes sobre los inyectores controlados por circuitos digitales.

Todo ello hace que la curva del par motor tenga su forma característica que es la que estudiaremos para saber a que revoluciones conviene llevar el motor de nuestro barco.

Sabiendo a que revoluciones trabaja mejor el motor, tendremos que hacer distintas pruebas con diferentes hélices, hasta conseguir que el barco alcance la mayor velocidad a justamente este régimen de giro del motor. Esta es la velocidad de crucero. El rendimiento será el máximo y por tanto el consumo mínimo.

Si ponemos una hélice muy pequeñita o de poco paso, el motor alcanzará inmediatamente este régimen de giro. El barco navegará muy despacio, y sobrará mucho motor para esta pequeña hélice. Es como si pusiéramos ruedas de bicicleta en un formula 1. De modo que debemos aumentar el tamaño de la hélice, su número de palas o su paso, o todo a la vez. Si nos pasamos de largo, comprobaremos como el motor ahora no es capaz de alcanzar ni de broma, las revoluciones donde trabaja mejor. Nos hemos pasado, y habremos de reducir el tamaño, o paso o número de palas. 

Si aumentamos las revoluciones del motor por encima de donde está el par máximo, el motor entregará todavía más potencia, pero estos incrementos de potencia serán cada vez más pequeños por cada incremento de revoluciones aumentemos. Y por tanto el barco aumentará la velocidad hasta lo que se llama velocidad máxima, aunque cada vez con más esfuerzo. Pero es en el régimen de par máximo (velocidad crucero) donde el motor gira más “alegre”, en donde todavía es capaz de entregar un buen aumento de potencia al darle más a la palanca. Es donde el motor genera menos rozamientos y donde los gases circulan con más facilidad por sus pistones y escapes, pues se producen los mejores fenómenos de resonancia y barridos que hacen que por cada gramo de combustible quemado, obtengamos la mayor energía mecánica posible.

 

Los motores eléctricos

 

 

A diferencia de los motores de explosión, los motores eléctricos son sumamente diferentes ya que prácticamente no hacen nada de ruido, entregan un par motor casi constante e independiente de las revoluciones de giro. Su curva de par es parecida a una línea horizontal, y por tanto la curva de potencia es otra línea inclinada con una pendiente constante, consecuencia de multiplicar este par casi constante por las revoluciones de giro.

 

 

Desde sus primeras revoluciones, el par motor en un motor eléctrico permanece rigurosamente constante (hasta ya muy altas revoluciones), y por tanto la potencia crece según una línea recta de pendiente constante.

 

 

 

 

 

La elasticidad y la viveza: 2 tiempos y 4 tiempos

Existen motores que a igualdad de potencia son más deportivos que otros, y que son capaces de ofrecer lo mejor de sí mismos en un margen de revoluciones más cerrado. Otros motores serán más elásticos ofreciendo par motor importante a diferentes regímenes de revoluciones.

Se dice que los motores de 2 tiempos tienen más brío, y viveza, entendiendo como tal,  la capacidad o rapidez con que son capaces de entregar la potencia máxima para la que han sido diseñados. Esta característica es importante ya que no es lo mismo tener que llevar un barco sorteando olas que navegar a máxima potencia en una mar tranquila. Cuando tengamos que acelerar rápidamente para zafarnos de una ola, necesitaremos potencia inmediata. Dos motores diferentes pueden entregar la misma potencia pero la inmediatez con que la entreguen determinará su diferente carácter.

Los motores de 2 tiempos son siempre considerados como más “vivos” y esto es debido a su tecnología de diseño. Son mecánicamente más sencillos lo que da como resultado menos inercias de giro (lo que los físicos llaman momento cinético) y por tanto son más “alegres”.  Y estas características quedan siempre reflejadas en la curva del par motor, verdadera “foto” de cómo se comportará el motor.

La curva del par motor nos cuenta mucho del temperamento del motor, especialmente en una embarcación, en donde el barco y la hélice se mueven en un fluido y por tanto son capaces de “expresar” la curva del par de forma más directa que el motor de un coche que rueda sobre una carretera, y por tanto (mientras no derrape) no puede subir de revoluciones mientras no alcance la velocidad adecuada.

El par máximo de un motor no indica la potencia a bajas revoluciones ni tampoco la elasticidad del motor. Cuanto más “elástico” sea un motor más potencia tendremos disponible en la zona de regímenes bajos y medios.

 

 

 

Conocer la elasticidad del motor

 

La elasticidad es la cualidad de un motor de entregar potencia a bajo y medio régimen de revoluciones, notando cuanto más elástico sea una “reacción” instantánea a dar a la palanca de gases. Esta cualidad es importante en embarcaciones deportivas y cuando las condiciones de navegación requieran “trabajar” cuidadosamente con la palanca de gases, para salir de una ola, y ajustar continuamente el empuje de nuestra embarcación.

 

La elasticidad del motor se puede medir mediante un valor conocido como Índice de elasticidad y si esta índice se encuentra por encima de 3, tendremos un motor de buena elasticidad. Si está por encima de 5 el motor será verdaderamente elástico. Para calcular el índice de elasticidad, consultaremos la gráfico de la curva de potencias para sacar 3 valores y poder dividir el régimen de potencia máxima (Rm) elevado al cuadrado por el producto del régimen al que se produce el par máximo (Rp) multiplicado por el régimen en el que el motor ofrece el mismo par al que encontramos en potencia máxima (Rq).

Indice Elasticidad= Rm2/ (Rp xRq)

Si por ejemplo a partir de la gráfica obtenemos que nuestro motor alcanza su máxima potencia a 6.300 rpm, y el par máximo se produce a 4.400 rpms, y observamos que a 2.200 rpm encontramos que mismo par que el que da el motor a 6.300 rpms, sacaremos un índice de elasticidad de 4,1  (6.300x6300/ 4.400x2.200)

 

 

 

 

La importancia de la hélice

 

Si con el barco parado metemos la palanca de gases del fueraborda (o intraborda) a tope para llevar el motor a su régimen de par máximo, la hélice es capaz de pasar muy rápidamente al régimen de trabajo solicitado ya que se mueve en el agua. Como en este momento el barco está parado o a muy poca velocidad, no se consume la potencia en rozamientos hidrodinámicos del casco contra el agua, o generación de olas de proa. Debido a la masa (desplazamiento) y por tanto a la inercia de la embarcación, toda la potencia entregada por la hélice hará que esta simplemente “patine” en el agua.

En estas condiciones la hélice manifiesta el efecto de acción y reacción. Las velocidades contrarias del barco y del chorro de agua lanzado hacia popa son muy diferentes. En estos momentos la hélice produce “empuje” como lo hace el motor de un cohete, o una avioneta al despegar.

Si el conjunto Barco-Motor-Hélice está bien dimensionado, cuanto más nos acerquemos a la velocidad de crucero, menos se manifestará el principio de acción y reacción, pasando la hélice a trabajar más como lo hace un tornillo “enroscándose” en el agua.

Como ya comentamos antes, debemos conseguir las hélices que permitan transmitir la máxima potencia de nuestro fueraborda. La hélice es fundamental ya que es el elemento capaz de manifestar la potencia de nuestro motor. Sin ella es como si a un Ferrari le quitáramos las ruedas, como si a un equipo de música le quitáramos los altavoces, como si al mejor pensador le quitáramos el bolígrafo con el que expresarse. Si la hélice es pequeña, podrá manifestar poca potencia. Si es demasiado grande, será el motor quien no se puede llegar a dar lo mejor de sí mismo.

 

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