Por Luis Miguel Carbajal Juárez
El presente artículo tiene el objetivo explicar la importancia del conocimiento del centro de gravedad en los trenes, tanto de carga como de pasajeros, así como los riesgos que se corre cuando ese centro de gravedad sufre desplazamientos en las curvas, tomando en consideración que, en diversos tramos férreos de nuestro país, existen curvas de diversos grados que requieren de la atención de la tripulación para vigilar que no haya el riesgo de un percance.
Uno de los factores de seguridad en los trenes, es que en todas las circunstancias conserven el equilibrio necesario para evitar volcaduras, ya sea al exterior o al interior de las curvas, o bien en las rectas cuando hay fuertes desniveles en las vías. Para lograrlo, es necesario que el centro de gravedad de cada una de las unidades que conforman un tren de carga o un tren de pasajeros se conserve dentro de las líneas verticales que caen sobre sus bases que son las ruedas, las que a su vez descansan sobre los rieles.
Tanto las máquinas (locomotoras), como el equipo de arrastre, bien sea de carga o de pasajeros, se fabrican distribuyendo su peso, para que no queden más ligeros de un lado que del otro, a fin de que el centro de gravedad quede situado lo más cercano posible a la mitad de la vía. También se procura en su construcción que la mayor parte del peso muerto se localice en la parte inferior, pues de esta forma el centro de gravedad siempre se mantiene lo más bajo posible, dando así al equipo ferroviario mayor estabilidad.
Figura 1. Centro de gravedad en equipo ferroviario.
Nota: Ubicación del centro de gravedad en carros de carga de diversos tipos. Fuente: Propia.
El centro de gravedad de un cuerpo ya sea locomotor, furgón, tolva, etc., es el punto teórico del mismo que si pudiera descansar sobre una línea vertical o suspenderse de un hilo o de un cable, todos sus lados quedarían equilibrados y de esta manera se conservaría indefinidamente en la misma posición. Entre más alto y de mayor peso sea la parte superior de una locomotora o del equipo de arrastre y más alto quedará de su base el centro de gravedad; así que, mientras más alto esté el centro de gravedad, habrá mayores probabilidades de perder el equilibrio, ocasionando un descarrilamiento o volcadura. (Figura 1)
El centro de gravedad siempre está oscilando mientras el equipo está corriendo, debido a la trepidación de sus trucks o resortes, a los asentamientos o golpes de la vía, a los balanceos propios de las rozaderas en los trucks, o bien por los desplazamientos laterales debidos a diferencias de escantillón en las curvas, permitiendo el paso de unidades de base rígida larga, por el juego lateral entre ruedas y bastidores y por el desgaste de las cejas y rieles.
Figura 2. Truck de un carro de carga.
Nota: Truck de un carro de carga y sus partes principales. Fuente: Propia.
Pero los más fuertes y constantes desplazamientos laterales del centro de gravedad, son producidos por la fuerza centrífuga del tren en carrera a su paso por las curvas, fuerza que aumenta en proporción al cuadrado de la velocidad y se manifiesta claramente por la tendencia de los trenes de seguir corriendo en línea recta, al entrar en cada curva. Esta fuerza se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula:
Donde:
Fc= Fuerza centrífuga.
m= Masa del objeto.
r=Radio de la trayectoria circular.
𝝎= velocidad angular.
Figura 3. Fuerza centrífuga.
Nota: Fuerza centrífuga cuando un tren toma una curva. Fuente: Studysmarter
Esta ley no solo afecta al equipo ferroviario, también a la carga, pasajeros y a todos los objetos y cuerpos que en ellos se transportan, por lo que deben repartirse convenientemente a los lados de cada frente, siendo importante la justa distribución lateral que a los extremos y no exceder la capacidad de cada truck.
Para contrarrestar la fuerza centrífuga, al nivelarse las vías, se da al riel exterior en las curvas una altura mayor que la del anterior, sobreelevación que debe ser proporcional a la velocidad que se considere conveniente para las necesidades del tráfico y sin que por ningún motivo se exceda de 19 centímetros o 7 ½ pulgadas que es la máxima permisible en vías con escantillón de 1.435 metros. En México, la sobreelevación máxima autorizada es de 15 centímetros, por ser la que permite un margen de seguridad razonable para cuando algún tren llegue a parar en las curvas. Conforme a la NORMA Oficial Mexicana de Emergencia NOM-EM-003-ARTF-2023, Sistema Ferroviario-Seguridad-Clasificación y Especificaciones de Vía, publicada en el DOF, la sobreelevación se fija con la condición de equilibrio (igual reacción sobre ambos rieles para evitar el desgaste excesivo de los rieles) para los trenes lentos de acuerdo con la velocidad a la que pueden operar (velocidad real) considerando la fórmula:
Donde:
e= Sobreelevación en pulgadas.
V= Velocidad de los trenes en kilómetros por hora.
G= Grado de curvatura métrico (con cuerdas de 20 metros) en grados.
Se debe imaginar que el centro de gravedad del equipo ferroviario se encuentra situado en un punto cercano a su altura media formando un triángulo con el plano de las ruedas sobre las que descansa su peso. En condiciones normales este punto que es perpendicular al plano de los rieles caerá verticalmente a la mitad de la vía en las rectas, sin embargo, al encontrarse un riel más alto que el otro, como en las curvas, el vértice del triángulo se desplazará hacía el lado del riel más bajo y si llegará a salirse de la vertical que cae sobre el riel habrá peligro de inminente volcadura.
En la figura 4 se muestra el diseño de una locomotora, donde se señala con un punto en la parte superior de un triángulo, la localización de su centro de gravedad y por puntos, el desplazamiento de éste hacía el interior de una curva debido a la sobreelevación del riel exterior. Este desplazamiento se contrarresta si se corre a una velocidad proporcional a la sobreelevación, porque entonces el centro de gravedad se conservará a la mitad de la vía y los trenes pasarán con seguridad, debido a que los dos rieles soportarán el mismo peso y la fricción en el exterior será solo la necesaria para guiar las ruedas en la curva; pero si se corre a más de lo permitido por la sobreelevación o se encuentra un asentamiento o golpe de riel exterior, inmediatamente el centro de gravedad se desplazará hacía afuera de la curva y entonces todo el peso y carga tenderán a seguir corriendo en línea recta. En estas condiciones de velocidad existe peligro de volcaduras o roturas de los rieles y al menos habrá la posibilidad de un descarrilamiento por exceso de fricción de las ruedas sobre los rieles.
Figura 4. Centro de gravedad en una locomotora.
Nota: Diseño de una locomotora donde se muestra el centro de gravedad y su desplazamiento. Fuente: Propia.
Volviendo a la figura 4, en ésta se marcan dos líneas que caen verticalmente hacía las ruedas sobre el punto en que se advierte que descansan sobre los rieles. Estas líneas no varían de posición por la ley física de la gravedad y corriendo o en estado de reposo determinan el límite de desplazamiento del centro de gravedad que, al ser rebasado, provoca un accidente.
Por las razones analizadas, se debe llegar al convencimiento del peligro que supera las velocidades permitidas por las diferentes empresas concesionarias, ya que se calculan considerando la resistencia y la sobreelevación en las vías, siendo indispensable su observancia y el cumplimiento de los boletines de vía.
Bibliografía
- Carbajal Juárez, L. M. (28 de Junio de 2022). Taller Dinámica Vía – Tren. México, México.
- Carbajal Juárez, L. M. (20 de Enero de 2024). Propio. Apizaco, Tlaxcala, México.
- Diario Oficial de la Federación. (22 de Septiembre de 2023). México.
- Fava Javier, R. R. (2022). Defectos en rieles y elementos para su inspección no destructiva. Argentina.
- Ferrosur. (29 de Julio de 2015). Sistema de frenos de aire. Reglas de frenos de aire y recomendaciones para el manejo de trenes. Veracruz, Veracruz, México: Ferrosur.
- StudySmarter. (2 de Septiembre de 2024). Obtenido de https://tinyurl.com/25szgdaa
Mtro. Luis Miguel Carbajal Juárez
Catedrático Unidad Académica Multidisciplinaria
