Regulador centrífugo

El regulador centrífugo mantiene una máquina cerca de una velocidad fijada. Dos bolas pesadas en brazos articulados giran con un eje movido por la máquina; cuando esta va demasiado deprisa, se abren y suben, y una palanca cierra la válvula, la compuerta o las aspas que la alimentan. Los molineros lo usaban en los molinos de viento, donde Thomas Mead patentó uno en 1787, antes de que Boulton y Watt lo adaptaran a la máquina de vapor en 1788.

Qué es

El regulador centrífugo, o regulador de bolas, controla una velocidad. Un eje vertical, movido por la máquina, lleva dos bolas pesadas al extremo de unos brazos articulados cerca de su parte alta. Cuando la máquina se acelera, las bolas se abren y suben; cuando se frena, vuelven a bajar. Mediante unas bielas, un collarín deslizante y una palanca, ese movimiento abre o cierra lo que da energía a la máquina: la válvula de vapor de un motor, la compuerta de una rueda hidráulica o las aspas de un molino de viento, cuya superficie de lona puede reducir. En los molinos harineros el regulador tenía además otra función, distinta. Mediante un mecanismo que en inglés se llama lift-tenter, ajustaba la separación entre las muelas, y con ella la finura de la harina, cuando cambiaba la velocidad. Ese ajuste modifica la molienda, no la potencia que llega al molino.

Funciona sin que nadie lo vigile. El regulador mide el resultado, la velocidad, y corrige sin cesar la causa, la alimentación. Desde 1788, Boulton y Watt montaron este tipo en sus máquinas de vapor rotativas: una correa que viene del eje del volante hace girar una polea, dos engranajes cónicos hacen girar el eje del regulador y una palanca unida al collarín mueve una válvula en el tubo de vapor.

Cómo funciona

Cuanto más deprisa gira la bola, más se inclina el brazo hacia fuera y más alto se asienta la bola.

Cada bola, que gira al extremo de su brazo, se comporta como un péndulo que describe un círculo. Su peso la tira hacia abajo, y el brazo tiene que tirar de ella hacia el eje para mantenerla en su círculo. Cuanto más deprisa gira, más fuerte debe ser ese tirón, y el brazo solo puede darlo inclinándose más hacia fuera. Así, a cada velocidad le corresponde una altura en la que las bolas se asientan. W. J. M. Rankine dio la regla en 1869: a una vuelta por segundo, las bolas giran unos 24,8 cm por debajo del punto donde la prolongación de los brazos corta el eje, y a dos vueltas por segundo la cuarta parte, 6,2 cm. El peso de las bolas no aparece en la regla. Unas bolas más pesadas se colocan a la misma altura y empujan el varillaje con más fuerza contra el rozamiento.

En el regulador de Boulton y Watt, tal como lo describió John Farey en 1827, los dos brazos pasan por una ranura del eje y se cruzan sobre un único pasador, como las hojas de unas tijeras. Por encima del pasador, sus cortos extremos superiores se doblan hacia fuera y se unen mediante dos bielas cortas a un collarín que se desliza por el eje y gira con él. Cuando las bolas se abren, esos extremos bajan y las bielas tiran del collarín hacia abajo. Las puntas de una palanca de horquilla encajan en una ranura del collarín y lo siguen sin girar, y la palanca transmite el movimiento por una varilla a la válvula de mariposa. Esta válvula es un disco delgado montado sobre un eje que cruza el tubo de vapor: de canto deja pasar el vapor; puesto de plano, casi cierra el tubo. Si la carga baja y la máquina se acelera, las bolas suben, la válvula se cierra en parte y la máquina se frena. Si la carga aumenta, las bolas bajan y la válvula se abre.

Un regulador así mantiene la velocidad dentro de un margen, no en un valor exacto. Para tener la válvula más abierta con una carga fuerte, las bolas tienen que girar más bajas, y eso solo ocurre a una velocidad algo menor; Rankine decía que estos reguladores no son realmente isócronos. Además funciona mejor a poca velocidad: cuando el eje gira deprisa, las bolas están casi horizontales y un pequeño cambio de velocidad apenas las mueve. El regulador solo puede corregir un cambio de velocidad después de que se produce, y Farey observó que cada corrección se pasa: tras un cambio brusco de carga, la velocidad oscila varias veces a uno y otro lado antes de asentarse. Si el rozamiento o una máquina lenta retrasan su respuesta, las oscilaciones pueden crecer en lugar de apagarse. Los ingenieros llamaron a este defecto penduleo.

Cómo hacerlo

Una maqueta de manivela: cuanto más deprisa gira la rueda, más suben las bolas, y el plato con ellas.

Una maqueta de madera muestra el principio sin máquina. Tome un tablero de contrachapado de unos 20 por 40 cm. Haga un agujero cerca de un extremo y fije sobre un poste, unos 15 cm más arriba, un taco de madera con un agujero igual. Necesita una varilla lisa de 10 mm de grosor y 45 cm de largo que gire libre y vertical en los dos agujeros, y dos carretes de hilo vacíos que se deslicen con facilidad sobre ella. Corte en contrachapado fino un plato redondo de unos 7 cm de diámetro, hágale en el centro un agujero de 12 mm y péguelo bajo un extremo del primer carrete, con los agujeros alineados. Meta este carrete en la varilla, con el plato hacia abajo, y pase la varilla de arriba abajo por el taco; después meta el segundo carrete en la parte que queda bajo el taco y encaje el extremo de la varilla en el agujero del tablero. Pegue este carrete inferior a la varilla, justo encima del tablero, como polea. El carrete superior queda suelto por encima del taco. Junto a la polea, monte un disco de contrachapado unas tres veces más ancho que el carrete, que gire en horizontal sobre un clavo clavado en su centro, con una clavija de madera cerca del borde como asa. Una el disco y la polea con un lazo de cordel lo bastante tenso para que no patine.

Corte un travesaño de madera de unos 8 cm de largo y 2 cm de lado y hágale en el centro un agujero de 10 mm. Doble dos brazos de alambre de acero rígido, sacado de una percha, cada uno con un pequeño ojal en un extremo. Meta el ojal de un brazo en un clavo pequeño y clávelo en una cara lateral del travesaño, a 1 cm más o menos de un extremo y perpendicular a su largo, de modo que el ojal quede atrapado entre la cabeza y la madera. Haga antes un agujero guía para que la madera no se raje y deje la cabeza unos milímetros fuera para que el brazo oscile libremente. Fije el segundo brazo del mismo modo cerca del otro extremo, en la cara opuesta, y pegue luego el travesaño en lo alto de la varilla, que entra en su agujero. Cada brazo cuelga así junto a un extremo del travesaño y puede abrirse hacia fuera, lejos de la varilla. Clave cada alambre en una bola de madera de 3 a 4 cm y péguela, de forma que el centro de las bolas quede unos 15 cm por debajo de los clavos. Las dos bolas deben pesar lo mismo.

Ate un hilo desde la mitad de cada brazo hasta el borde superior del carrete suelto, de modo que el carrete cuelgue recto, con el plato justo por encima del taco, cuando las bolas están en reposo. Para la escala, corte una tira de cartulina de unos 2 cm de ancho y tan alta como el carrete, y trace en ella una raya cada 5 mm. El taco debe ser lo bastante largo para sobresalir un poco del borde del plato; pegue el extremo inferior de la tira de pie contra la testa del taco, de modo que la cartulina quede a pocos milímetros del borde del plato. Cuando el carrete sube, el borde del plato va subiendo a lo largo de las rayas. La cartulina no es más alta que el carrete, así que queda por debajo de los hilos y de las bolas.

Gire el asa despacio y luego más deprisa. A poca velocidad no se mueve nada, porque las bolas tienen que levantar, además de su propio peso, el carrete y su plato. A partir de cierta velocidad se abren, y el carrete y su plato suben con ellas. Cuanto más deprisa gire, más alto van; si frena, vuelven a bajar. Pegue con cinta adhesiva dos monedas iguales bajo el plato, a ambos lados de la varilla: hará falta girar más deprisa para llevar el borde del plato a la misma raya, como en un regulador con un peso sobre el collarín. En una máquina, la altura del carrete fijaría la apertura de la válvula.

Historia y evolución

En un molino, el regulador mueve una larga palanca de hierro, el steelyard de los molineros ingleses, que ajusta la separación de las muelas.

Los molineros necesitaban una velocidad regular mucho antes que la máquina de vapor. Un molino de viento se acelera y se frena con cada racha, y la separación entre las muelas, que decide lo fina que sale la harina, cambia con la velocidad. Demasiada velocidad puede hacer rozar las muelas, lo que calienta la harina. Los constructores de molinos británicos del siglo XVIII idearon el lift-tenter, un mecanismo que ajustaba la separación de las muelas según la velocidad. El más antiguo fechado que mide esa velocidad con pesos giratorios figura en la patente del constructor de molinos inglés Thomas Mead, de 1787. El historiador de la técnica Otto Mayr describe en ella dos juegos de pesos giratorios: uno movía el lift-tenter y el otro reducía la superficie de las aspas cuando el molino giraba demasiado deprisa. Algunas cronologías técnicas y obras de divulgación dicen que los molinos usaban estos reguladores desde el siglo XVII y los atribuyen a Christiaan Huygens, pero no citan ningún dibujo ni texto fechado. En molinos posteriores, el regulador estaba en la planta de debajo de las muelas y movía una larga palanca de hierro unida a la viga que sostiene el eje de la muela.

En mayo de 1788, Matthew Boulton visitó en Londres la Albion Mill, la fábrica de harina movida por vapor que él y James Watt habían construido, y encontró en sus muelas un lift-tenter, probablemente instalado por el joven constructor de molinos John Rennie. Se lo describió a Watt. Watt dibujó un regulador centrífugo de velocidad en noviembre y, en diciembre, un regulador para la máquina Lap de la manufactura del Soho, en Birmingham. Esa máquina está hoy en el Science Museum de Londres, que la presenta como la primera equipada con un regulador. Watt no reclamó el aparato como invento suyo, y el ingeniero John Farey escribió en 1827 que su principio ya se usaba en los molinos de viento y de agua. Samuel Smiles, en sus Lives of Boulton and Watt de 1865, todavía lo contaba entre los inventos de Watt.

Los ingenieros chocaron pronto con los límites del regulador simple. En 1868, James Clerk Maxwell publicó On Governors, el primer estudio matemático de cuándo una máquina regulada se asienta y cuándo entra en penduleo, considerado hoy uno de los textos fundadores de la teoría del control. Desde la década de 1850, los reguladores con un peso sobre el collarín, como el que Charles Porter patentó en 1858, y después los reguladores de muelles pudieron trabajar a más velocidad. El mismo principio mantiene la velocidad de las turbinas hidráulicas que mueven generadores.