Conceptos Fundamentales de la Inercia: Masa, Momento Rotacional y Aplicaciones Mecánicas del Volante

Definición y Fundamentos de la Inercia

¿Qué es la Inercia?

La inercia es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios.

En física, se dice que un sistema tiene más inercia cuando resulta más difícil lograr un cambio en su estado físico. Los dos usos más frecuentes en física son la inercia mecánica y la inercia térmica.

Inercia Mecánica y Térmica

• Inercia Mecánica: Aparece en mecánica y es una medida de la dificultad para cambiar el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. La inercia mecánica depende de la cantidad de masa y del tensor de inercia.
• Inercia Térmica: Mide la dificultad con la que un cuerpo cambia su temperatura al estar en contacto con otros cuerpos o al ser calentado. La inercia térmica depende de la cantidad de masa y de la capacidad calorífica.

Fuerzas Ficticias (Fuerzas de Inercia)

Las llamadas fuerzas de inercia son fuerzas ficticias o aparentes que experimenta un observador en un sistema de referencia no-inercial.

Momento de Inercia (Inercia Rotacional)

El momento de inercia o inercia rotacional es una medida de la inercia rotacional de un cuerpo. Más concretamente, el momento de inercia es una magnitud escalar que refleja la distribución de masas de un cuerpo o un sistema de partículas en rotación, respecto al eje de giro.

El momento de inercia solo depende de la geometría del cuerpo y de la posición del eje de giro, pero no de las fuerzas que intervienen en el movimiento. Desempeña un papel análogo al de la masa inercial en el caso del movimiento rectilíneo y uniforme. Es el valor escalar del momento angular longitudinal de un sólido rígido.

Masa Inercial

La masa inercial es una medida de la resistencia de una masa al cambio en velocidad en relación con un sistema de referencia inercial. En física clásica, la masa inercial de partículas puntuales se define por medio de la siguiente ecuación, donde la partícula uno se toma como la unidad (m₁ = 1):

$$m_i = m_1 \frac{|a_{1i}|}{|a_{i1}|}$$

Donde m_i es la masa inercial de la partícula i, y a_i1 es la aceleración inicial de la partícula i, en la dirección de la partícula i hacia la partícula 1, en un volumen ocupado solo por partículas i y 1, donde ambas partículas están inicialmente en reposo y a una distancia unidad. No hay fuerzas externas, pero las partículas ejercen fuerza las unas en las otras.

El Volante de Inercia: Aplicaciones Mecánicas

Un volante de inercia es, en mecánica, un elemento totalmente pasivo que únicamente aporta al sistema una inercia adicional, permitiéndole almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga.

Usos y Ejemplos del Volante de Inercia

En la actualidad, numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos usos son:

• Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración (KERS).
• Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales.
• En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.