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La energía mecánica: de la rueda de un molino a una central nuclear

La energía mecánica: de la rueda de un molino a una central nuclear

El ser humano aprendió a usar la energía mecánica de la naturaleza hace casi 2.500 años. Hoy está en casi todas las formas de generación eléctrica. Centrales térmicas, nucleares, de biomasa, aerogeneradores o presas hidroeléctricas la utilizan.

Mensajes secretos, teorías sobre seres autómatas elaboradas milenios antes de la invención del primer robot, relojes de agua que impulsaban extraños artefactos. La parte de la obra de Filón de Bizancio que ha sobrevivido hasta nuestros días está repleta de curiosidades y datos asombrosos. Pero entre los escritos de este ingeniero, inventor y escritor griego del siglo III a. C., que pasó su vida entre Alejandría y Rodas, aunque era natural de Bizancio, destaca una cosa por encima de todas: un molino de agua.

En su tratado sobre neumática, Filón describía un artefacto que permitía usar el movimiento del agua para impulsar máquinas humanas. Las referencias escritas a los primeros molinos son escasas en la antigüedad, pero parecen multiplicarse alrededor de esa época. Hay escritos que hablan de molinos en el Mediterráneo, pero también en la India o en China. Los vestigios arqueológicos que se conservan son posteriores, ya de inicios de nuestra era, por lo que, en realidad, señalar al inventor del molino es prácticamente imposible.

Lo que sí parece seguro es que el ser humano aprendió a sacar partido a la energía mecánica de la naturaleza para alimentar sus ingenios hace entre 2.500 y 2.200 años. Los molinos de agua no se popularizarían hasta más adelante, durante la baja Edad Media, pero el camino estaba marcado. La humanidad había descubierto el aprovechamiento de una energía que aún hoy está detrás de casi todas las tecnologías de generación eléctrica.

La energía mecánica: de la rueda de un molino a una central nuclear

¿Qué es la energía mecánica?

Al igual que es difícil señalar al inventor del molino hidráulico, es complicado encontrar a un único descubridor de la energía mecánica. Esta siempre ha estado ahí y, poco a poco, gracias a la labor de multitud de pensadores y científicos, la hemos ido entendiendo mejor. Filón escribió, y mucho, sobre mecánica. De hecho, en su época se le conocía también como Philo Mechanicus. Pero para encontrar una definición de la energía mecánica más precisa habría que esperar casi 2.000 años más.

Esta llega, probablemente, de la mano del principio de conservación de la energía total derivado del trabajo de Gottfried Leibniz e Isaac Newton, que tradujo y divulgó Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil. Esta marquesa francesa de principios del siglo XVIII demostró la relación entre energía cinética y energía potencial y sentó las bases teóricas de lo que hoy conocemos como energía mecánica.

“La energía mecánica es la energía que presentan los cuerpos debido a su movimiento (energía cinética) y de su situación (energía potencial)”, explica Fernando Cruz Peragón, investigador y profesor del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Jaén. “Si levantamos una masa y la situamos en una posición superior, esta está adquiriendo mayor potencial o energía potencial para poder desarrollar después un trabajo, el movimiento o energía cinética”.

Este concepto aparentemente complejo está presente constantemente en nuestro día a día. Si lanzamos una pelota, esta sale de nuestra mano con energía cinética (el movimiento) que va perdiendo poco a poco hasta que alcanza el punto más alto. Ahí, su energía cinética es cero, pero su energía potencial es elevada. De vuelta a nuestra mano, la pelota recorre el camino inverso. Y, partiendo de la trayectoria de esta pelota, podemos explicar casi todas las fuentes de generación de electricidad que tenemos hoy en día.

“Con el tiempo, fueron considerados aspectos adicionales al principio de conservación de la energía y fueron definiéndose otras formas de energía, como la electromagnética, la nuclear, la química… Y se diferenció entre el contenido energético, definido por el estado en que se encuentre el cuerpo, y las energías de tránsito, definido como el calor o la electricidad", añade Cruz Peragón. “Es decir, la energía mecánica se relaciona con otras energías a través de varias transformaciones. Y es esa relación la que permite generar energía eléctrica a partir de diferentes fuentes o formas de energía”.

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La energía mecánica en la generación eléctrica

Un disco de cobre que gira perpendicularmente entre los polos de un imán. El disco de Faraday, diseñado por el científico británico en 1831, fue el primer generador eléctrico. Entonces no tenía ninguna utilidad conocida, pero sentó las bases que inspiraron la mayoría de los generadores que usamos hoy en día. “En la inmensa mayoría de los sistemas de generación eléctrica se produce inicialmente un trabajo para mover el generador eléctrico al que va acoplado y que produce la energía requerida por el sistema”, explica Cruz Peragón. “La diferencia fundamental entre los diversos sistemas de generación está en cómo se produce dicho trabajo”.

Es decir, la energía mecánica, la combinación entre energía potencial y cinética, está presente en casi todas las formas de generación eléctrica que usamos en la actualidad. Dejando a un lado los sistemas fotovoltaicos y las pilas de combustible, que no se aprovechan de la energía mecánica, el resto de los sistemas de generación eléctrica sacan partido al movimiento. Y lo hacen, en casi todos los casos, gracias al poder de las turbinas.

Tal como explica la administración de energía de Estados Unidos (EIA), la mayoría de las centrales eléctricas utilizan una turbina para impulsar los generadores. Un fluido en movimiento (que puede ser agua, vapor, gases de combustión o aire) empuja una serie de paletas, llamadas álabes, montadas sobre un eje. La fuerza del fluido hace girar este eje y la energía mecánica (cinética) se transforma en energía eléctrica en el interior del generador.

Las centrales térmicas de combustibles fósiles, las nucleares, las centrales de biomasa o las térmicas solares usan diferentes procesos para producir calor y vapor con el que generar el movimiento. Las grandes presas hidroeléctricas usan la fuerza del agua en movimiento para hacer girar las turbinas, en un sistema que hunde sus raíces en aquellos primeros molinos hidráulicos del mundo antiguo. Y los aerogeneradores usan la energía mecánica del viento para producir electricidad.

Pero la energía mecánica no solo sirve para generar electricidad, sino que también permite almacenarla. “La forma más extendida es como energía potencial. El ejemplo más claro es el de los embalses de agua. Las centrales hidráulicas aprovechan la altura del agua embalsada y su energía potencial para mover el eje de una máquina por el que se hace pasar esa agua”, añade el experto de la Universidad de Jaén. Este tipo de centrales almacenan energía (potencial) en forma de agua que convierten, en el momento en que sea necesario, en cinética y, después, en electricidad.

La energía del agua en movimiento y la energía del agua almacenada, a la espera de la señal que la libere para desatar su fuerza, está detrás de más del 16 % de toda la electricidad generada en el mundo en la actualidad. Han pasado más de 2.000 años de aquellos primeros diseños de Filón de Bizancio. Pero la energía mecánica sigue haciendo girar la rueda del molino que mantiene en marcha los ingenios del ser humano.