1. El generador de velocidad: cómo convierte las vueltas de las ruedas en señales para la aguja
Las vueltas de las ruedas y los engranajes de un tren se convierten en señales eléctricas mediante un dispositivo llamado generador de velocidad. En documentos de 1964, se explicaba que el tipo estándar de rotación magnética generaba un voltaje de corriente alterna proporcional a la rotación, mientras que los tipos para ferrocarriles privados contaban los dientes de los engranajes mediante imanes y bobinas para crear un voltaje con una frecuencia proporcional a las vueltas[2]. Los medidores digitales toman el diámetro de la rueda registrado y el número de vueltas contadas en un tiempo fijo, aplican un factor y calculan la velocidad en km/h para mostrarla[4]. En descripciones de patentes, se menciona el ejemplo de sensores de rotación que emiten entre 60 y 100 pulsos por vuelta, aunque esto es solo un caso y no aplica a todos los vehículos[3]. Si conocemos el número de vueltas, el resto es una multiplicación. Hagamos un cálculo real.
2. Cuánto avanza el tren en cada vuelta: ejemplo con una rueda de 860 mm de diámetro
En los diagramas de documentos de 1964 aparece un ejemplo con un diámetro de rueda de 860 mm, pero esto es una condición del diagrama, no un estándar para todos los trenes[2]. Usaremos este dato para practicar el cálculo. La circunferencia es el diámetro multiplicado por 3,14, por lo que 0,86 × 3,14 da aproximadamente 2,7 m. Si la rueda da una vuelta por segundo, la velocidad es de unos 9,7 km/h. Para alcanzar 100 km/h (unos 27,8 m por segundo), la rueda debe dar unas 10 vueltas por segundo. Si cada vuelta genera 60 pulsos, el sensor contaría unos 600 pulsos por segundo. Cada pulso representaría unos 4,5 cm en el borde exterior de la rueda. Estos cálculos son ejemplos de este artículo y no cifras de los documentos originales, pero el método se puede verificar. Supongamos que un tren nuevo muestra la velocidad correctamente. ¿Qué ocurre cuando la rueda se desgasta?
3. Cómo el desgaste de las ruedas altera la lectura y por qué se registra el diámetro
Las ruedas de los trenes se desgastan cada vez que ruedan sobre los rieles. En los sistemas que cuentan vueltas mediante un generador de velocidad, el cambio en el diámetro de la rueda genera un error, lo cual se señala como una debilidad en descripciones de patentes[5]. Por ejemplo, si el diámetro pasa de 860 mm a 850 mm (10 mm menos) y el medidor no se ajusta, la lectura será aproximadamente un 1,2 % más alta (860 ÷ 850 ≈ 1,012, cálculo de este artículo). A 100 km/h, mostraría unos 101,2 km/h. Por ello, los medidores de velocidad ferroviarios necesitan medios para compensar el diámetro de la rueda. La norma JIS E 4603 establece que el valor máximo de compensación debe ser igual o mayor al diámetro de una rueda nueva, y el mínimo igual o menor al diámetro límite de uso; si el sistema es conmutable, el intervalo entre ajustes debe ser de 10 mm como máximo[6]. Los medidores de Hitachi de 1964 también utilizaban resistencias con tomas para compensar los cambios en la indicación debido al desgaste[2]. Es un diseño que acepta desde el inicio el rango de desgaste de la rueda. Ahora abordemos un problema diferente al del desgaste.
4. Qué pasa con la medición de velocidad cuando las ruedas patinan o resbalan
Si las ruedas giran más rápido de lo que avanza el tren (patinamiento), la velocidad calculada por las vueltas será mayor que la real. Si las ruedas resbalan al frenar (deslizamiento), será menor. Las descripciones de patentes explican este mecanismo[7]. Una solución es combinar varios valores. Existe un método patentado que usa el valor inferior durante la aceleración y el superior durante el frenado regenerativo, promediando las velocidades de varios inversores para mejorar la precisión[7]. Otra patente propone añadir sensores Doppler (sin contacto) o de aceleración a los sensores de rotación, cambiando el cálculo según la situación[3]. Ambos son métodos descritos en patentes, no estándares para todos los ferrocarriles. El sistema Doppler emite ondas de radio o ultrasonido y calcula la velocidad por la diferencia de frecuencia de rebote[1]. Mide la velocidad respecto al suelo sin depender de las ruedas. En pruebas de un radar de onda continua de 24 GHz, el margen fue de ±1 km/h por debajo de 100 km/h y ±1 % por encima de 100 km/h[8]. Este es el resultado de una prueba con un radar específico, no un valor universal. También hay métodos curiosos. El ATS tipo M de Nagoya Railroad (Meitetsu) usa dos dispositivos en el suelo (balizas) y detecta la velocidad por el tiempo que tarda el tren en pasar entre ellos. Como la instalación es fija, solo puede medir una velocidad concreta[9]. ¿Qué tan precisas son estas mediciones?
5. Cómo se inspecciona la exactitud del medidor de velocidad según la norma JIS E 4603
La norma JIS E 4603 define la exactitud general del medidor a una temperatura estándar de 20 °C como «±2,0 % del valor máximo de la escala». Para instrumentos pequeños con velocidad máxima indicada de 80 km/h o menos, es ±3,5 %[6]. Es importante notar que no es el ±2 % de la velocidad real, sino del máximo de la escala. Si la escala máxima es 120 km/h, la tolerancia es ±2,4 km/h (cálculo de este artículo). También hay documentos sobre los métodos de inspección. En una encuesta de 2005 del Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo, los estándares de gestión de las operadoras eran aproximadamente ±2 km/h y ±3 km/h (algunos ±1 km/h). Algunas operadoras pequeñas sin instrumentos de medición, y las inspecciones de las partes digitales de JR West, medían la velocidad recorriendo una distancia fija y dividiendo por el tiempo, comparándolo con la lectura del medidor[4]. Esto refleja la situación en 2005; las prácticas actuales varían según la operadora. En el aspecto eléctrico, se valoró que el sistema fallara hacia un estado seguro. En los generadores de velocidad del ATC del tren bala Tokaido, se emitía señal incluso con el tren detenido, lo que permitía detectar fallos o cortes de cable durante la parada, según documentos de 1964[2]. Contar vueltas, corregir por diámetro y verificar con tiempo: esta idea se puede probar en una bicicleta. En el diseño, se priorizó el "fail-safe" para que los fallos no lleven a situaciones peligrosas.
6. Experimento con una bicicleta: verifica la relación entre vueltas y distancia en casa
Haz esto con un adulto en un lugar plano y seguro. 1. Mide el diámetro de la rueda de la bicicleta con una regla o cinta métrica. Mide la parte más exterior del neumático. 2. Multiplica el diámetro por 3,14 para calcular la distancia que debería avanzar en una vuelta. 3. Empuja la bicicleta y mide la distancia recorrida mientras la rueda da 10 vueltas. Compara con el resultado del paso 2 multiplicado por 10. Si hay discrepancia, puede deberse a la presión de los neumáticos o a cómo empujas. Con poco aire, el neumático se aplana y el diámetro real es menor. Con las ruedas de tren, ocurre lo mismo al desgastarse. Si quieres investigar más, busca la norma JIS E 4603 o el artículo de 1964 de la revista Hitachi en la sección de fuentes. Realiza esta actividad en terreno plano y seguro, acompañado por un adulto.