Volante de inercia

Un volante de inercia es una rueda pesada que almacena energía mientras gira. Recoge el sobrante cuando el accionamiento empuja con fuerza y lo devuelve cuando el empuje decae, de modo que la máquina mantiene una velocidad más regular. Los ejemplos más antiguos son probablemente unos guijarros perforados del valle del Jordán, de unos 12 000 años, que servían de fusayolas.

Qué es

Un volante de inercia es una rueda que se hace pesada a propósito y se fija a un eje, de modo que los dos giran juntos. Una vez en marcha, se resiste a cualquier cambio de velocidad: necesita varios empujones para arrancar y sigue girando cuando se deja de empujar. Una máquina aprovecha esto para trasladar energía de un esfuerzo al siguiente, y así un accionamiento irregular o una carga desigual dan un giro bastante uniforme.

Muchas máquinas lo llevan. La fusayola mantiene en marcha el huso de mano mientras retuerce la fibra, la rueda pesada del torno de alfarero mantiene la arcilla girando entre dos patadas, y las ruedas de fundición de las máquinas de vapor y de los motores de combustión interna mantienen el giro regular del cigüeñal de un empuje del pistón al siguiente.

Un torno de mina del tipo que describió Georgius Agricola en 1556 lo emplea en una forma sencilla. Un hombre hace girar con una manivela un tambor de madera que enrolla la cuerda, y el otro extremo del tambor lleva una gran rueda de radios lastrada con plomo. Según Agricola, esa rueda sustituía a un segundo hombre.

Cómo funciona

El peso está en la llanta; los radios son ligeros.

Una rueda que gira guarda energía en el movimiento de su masa, y lo que más cuenta es la velocidad: al doble de velocidad contiene cuatro veces más energía. También importa dónde está la masa. Lejos del eje, la materia se mueve más deprisa que cerca de él, de modo que, con el mismo peso, un anillo delgado almacena el doble que un disco macizo del mismo diámetro. Por eso los volantes tienen una llanta pesada y radios ligeros, y por eso el plomo sujeto lejos en un radio hace más que el mismo plomo cerca del tambor.

La fuerza que hace girar una manivela rara vez es uniforme. Cuando una biela mueve la manivela, como en un motor, queda alineada con ella dos veces por vuelta, y en esos dos puntos muertos su empuje no puede hacerla girar en absoluto. En una máquina de simple efecto, el vapor o el gas empuja solo una cara del pistón, y el eje tiene que ser arrastrado durante las carreras que no producen trabajo. En una máquina de vapor de doble efecto, el vapor empuja por turnos cada cara y todas las carreras trabajan, pero la fuerza de giro sube y baja en cada vuelta y se anula en los puntos muertos. La carga también varía, como cuando un cubo se balancea o una sierra da con un nudo. Mientras el accionamiento da más de lo que la carga toma, el sobrante acelera un poco la rueda. Cuando da menos, la rueda se frena un poco y su energía almacenada cubre la diferencia. Cuanto más pesada es la rueda, menos cambia su velocidad ante el mismo sobrante o la misma falta.

Un volante no añade energía ni regula el suministro. Si la velocidad media se desvía porque cambia la carga o el vapor, tiene que corregirla un regulador o el operario.

Cada parte de una llanta que gira tiende hacia fuera y tienen que retenerla los radios y la propia llanta. Esa tracción crece con el cuadrado de la velocidad de la llanta y, por encima de un límite que fija el material, la rueda revienta y sus trozos salen despedidos. Un informe de los Sandia National Laboratories señala que la llanta de los volantes de las máquinas de vapor rara vez superaba los 20 m/s. Los volantes modernos de almacenamiento, con llanta de material compuesto de fibra de carbono, giran a entre 500 y 1000 m/s dentro de una carcasa al vacío. Según el mismo informe, un volante de 50 toneladas de la era industrial guardaba unos 5 kWh, mientras que un volante moderno de red de alrededor de una tonelada guarda más de 25 kWh.

Cómo hacerlo

Una pequeña rueda con manivela montada sobre un banco muestra los dos efectos: la masa en la llanta almacena más, y un volante regulariza una manivela. Es solo una demostración y nunca debe accionarse con un taladro o un motor.

Hacer el soporte. Atornille en vertical sobre una tabla dos tacos de madera dura de unos 25 cm de alto y 5 cm de lado, separados 10 cm. Taládrelos a 20 cm por encima de la tabla para una espiga recta de madera dura o una varilla de acero de unos 12 mm, que gire libremente sin holgura, y frote los agujeros con cera. Con el eje a esa altura, la rueda de 30 cm pasa a unos 5 cm de la tabla.

La rueda de prueba: cuatro pesas iguales, atornilladas primero cerca del centro y luego cerca de la llanta.

Hacer la rueda. Corte un disco de contrachapado de unos 30 cm de diámetro y 15 mm de grosor, con un agujero central bien ajustado al eje, y péguelo o sujételo con clavijas entre los tacos. Taladre dos coronas de cuatro agujeros en ángulo recto, una a unos 4 cm del centro y la otra a unos 2 cm del borde. Tome cuatro pesas iguales, por ejemplo arandelas grandes de acero sujetas con pernos y tuercas, y compruebe en una báscula de cocina que pesan lo mismo. Fije en el extremo del eje, por fuera de un taco, una manivela de madera con una clavija redonda como empuñadura.

Hacer la prueba. Atornille las pesas en la corona interior, trace una marca a lápiz en el canto, dé tres vueltas a la manivela a un ritmo constante y suéltela. Cuente las vueltas que da la rueda hasta pararse. Pase las mismas pesas a la corona exterior y repita al mismo ritmo. La rueda cuesta más de arrancar y gira muchas más vueltas. Después empuje la manivela solo durante la mitad descendente de cada vuelta: con las pesas en la llanta, la rueda gira mucho más regular entre empujón y empujón.

Historia y evolución

Guijarros perforados como los que se cree que sirvieron de fusayolas; el peso en el palo lo mantiene girando más tiempo.

En Nahal Ein Gev II, un poblado del valle del Jordán a unos 2 km al este del mar de Galilea, vivieron hace unos 12 000 años grupos del Natufiense final. Las excavaciones dieron 113 guijarros perforados, sobre todo de caliza blanda y con pesos de 1 a 34 g: 48 perforados de lado a lado, 36 rotos que solo conservan parte del agujero y 29 sin terminar, con una o dos marcas de taladro. Los agujeros terminados están en el centro del guijarro y casi todos se taladraron desde las dos caras. De las formas identificables, alrededor del 60 % son redondas y el resto angulosas o irregulares, y solo 11 guijarros se trabajaron claramente más allá de la perforación. Talia Yashuv y Leore Grosman defendieron en 2024 que eran fusayolas, que actúan como pequeños volantes y mantienen el huso retorciendo la fibra tras cada impulso de los dedos. Con réplicas, un hilandero experto hiló lino y lana más deprisa que a mano, y las piedras más pesadas conservaban mejor el giro. Dos arqueólogos ajenos al estudio, Alex Joffe y Yorke Rowan, respaldaron esa interpretación. Carole Cheval, especialista en textiles prehistóricos, escribió que los guijarros bien pueden ser fusayolas y que ya se habían publicado objetos parecidos, algunos más antiguos. Janet Levy, a quien citan Yashuv y Grosman, sitúa más tarde la primera prueba clara de hilo hilado con huso en el Levante meridional, en el Neolítico cerámico.

Los alfareros emplearon después una rueda más pesada. Según Johnny Baldi y Valentine Roux, los alfareros del norte de Mesopotamia daban forma a sus vasijas con el impulso de una rueda en giro hacia 3900 a. C., y en el Levante meridional aparecen dispositivos giratorios en la segunda mitad del V milenio a. C. La gran rueda de la rueca hizo más tarde el mismo trabajo para el huso.

En su libro sobre minería, impreso en 1556, Agricola describe un torno que tiene una rueda además de las manivelas. Una vez lanzado el tambor, las vueltas rápidas de la rueda ayudaban a moverlo, y en un pozo más hondo tres hombres con la rueda hacían el trabajo de cuatro. Se colgaban masas de plomo de la rueda o se sujetaban a los radios. La rueda no tenía cubo: sus radios iban ensamblados directamente en el grueso tambor. Agricola describe también una máquina de manivela que subía el agua con una cadena de cangilones y llevaba un volante de madera en su eje más bajo, para que girase con más facilidad. El libro de máquinas de Agostino Ramelli, de 1588, muestra bombas de manivela con volantes.

En 1779, Matthew Wasbrough, ingeniero en Bristol, patentó una máquina de vapor que hacía girar un eje mediante ruedas de trinquete, y le añadió un volante. John Farey, en 1827, lo consideraba el primer volante usado en una máquina de vapor. Los trinquetes fallaban una y otra vez, y en 1780 quienes manejaban una de esas máquinas en Birmingham los cambiaron por una simple manivela y conservaron el volante. La patente de James Pickard del 23 de agosto de 1780 trataba de una manivela con un contrapeso giratorio. La manivela y el volante se convirtieron en la forma habitual de sacar un giro regular de una máquina.

Los volantes crecieron con las máquinas, y algunas ruedas de fundición del siglo XIX medían varios metros. El informe de Sandia indica que los reventones eran bastante frecuentes, a menudo tras un fallo del regulador. En 1896, en una fábrica de alambre de Cleveland, un volante de 24 pies (7,3 m) de diámetro, de unas 50 000 libras (unas 23 toneladas) y que giraba a 75 revoluciones por minuto, reventó al romperse la correa del regulador y desbocarse la máquina.

Desde finales del siglo XX también se construyen volantes solo para almacenar electricidad. Un motor-generador acelera el rotor para guardar la energía y lo frena para recuperarla, y el rotor gira en vacío para reducir el rozamiento del aire. En Stephentown, en el estado de Nueva York, se inauguró en 2011 una planta con 200 volantes de llanta de fibra de carbono, que giran cada uno hasta 16 000 revoluciones por minuto sobre cojinetes magnéticos y guardan 25 kWh. Juntos pueden entregar o absorber 20 MW en segundos para mantener estable la frecuencia de la red.