La duración de los viajes en ferrocarril se ha reducido significativamente en las últimas décadas. De Barcelona a Sevilla se requerían trece horas en los años ochenta y tan sólo cinco y media en la actualidad. Los mil doscientos kilómetros entre Shanghái y Beijing se pueden recorrer en cuatro horas y media frente a las doce que invertían los pasajeros de hace unos pocos años. La transformación ha sido (y está siendo) posible con la construcción de las llamadas líneas de alta velocidad, pero ni esta infraestructura ni los vehículos que la recorren incorporan sistemas conceptualmente distintos a los del ferrocarril convencional. De hecho, la sorprendente capacidad de los sistemas tradicionales para adaptarse a velocidades crecientes dificulta el despliegue de conceptos alternativos para vehículos guiados como la levitación magnética (uno de los pocos grandes proyectos de levitación magnética, el Chuo Shinkansen entre Tokyo y Nagoya, está sufriendo sobrecostes y retrasos que, según las estimaciones más realistas, no permitirán inaugurarlo antes de 2034). La mayor parte de los nuevos trazados son convencionales con especificaciones de velocidad mejoradas y en ascenso. La primera línea de alta velocidad en España (Madrid-Sevilla) se diseñó para alcanzar 300 km/h en algunos tramos del trazado, mientras que la línea a Barcelona se construyó una década más tarde para admitir 350 km/h en casi todo su recorrido. Las nuevas infraestructuras en China se utilizan habitualmente con velocidades de 350 km/h, y se están fabricando trenes que, se espera, puedan alcanzar 450 km/h en líneas existentes. Estos registros se han alcanzado sin alterar los ingredientes básicos de los primeros diseños de los siglos XIX y XX, y es que aquellas soluciones intuitivas escondían características favorables para la evolución que siguió y que, todo hace prever, seguirá. Los límites se desconocen, pero se sabe dónde buscar. En esta entrada se describen algunas de las características favorables y se señalan los límites que ya se atisban.

Catenaria

Cuando el ferrocarril se electrificó a inicios del siglo XX, se idearon sistemas de alimentación mediante una superestructura de cables (catenaria) en contacto con un mecanismo en el tren (pantógrafo) que trata de mantener constante la fuerza de contacto entre las mesillas rozantes del pantógrafo y el hilo conductor de la catenaria. Una fuerza excesiva aumenta el desgaste, mientras que una fuerza demasiado baja da lugar a arcos eléctricos que deterioran los componentes. Para mantener la fuerza de contacto en su valor nominal, con pocas oscilaciones, la catenaria se tensa con contrapesos y poleas multiplicadoras en los extremos del cantón (Fig. 1). El sistema permite dilataciones y contracciones térmicas manteniendo la fuerza. La tensión es suficientemente elevada como para que la velocidad de propagación de las ondas mecánicas transversales supere los 500 km/h (desplazamientos transversales en cables se propagan a lo largo del mismo con una velocidad que depende de la fuerza que lo tensa; a mayor fuerza/tensión, mayor velocidad de la onda). Puesto que las velocidades de circulación actuales son sensiblemente inferiores, el pantógrafo está en contacto con una catenaria que comenzó a oscilar antes de la llegada del tren. Esta dinámica afecta a la fuerza de contacto, y son muchos los detalles de este sistema tradicional que se han retocado para reducir su oscilación.

Es posible que, para incrementar la velocidad de circulación, sea necesario tensar la catenaria como se hizo en Francia para el ensayo del TGV a 540 km/h [1], pero tensar todas las líneas existentes es muy costoso (equivale, de hecho, a rediseñarlas y reconstruirlas). Por ello se está estudiando la posibilidad de utilizar la catenaria a velocidades supercríticas (mayores que la velocidad de propagación de la onda). La violencia de la interacción crece con la velocidad hasta alcanzar la crítica, y decrece después de superada. La velocidad supercrítica se demuestra factible en estudios preliminares [2]. En estos casos, el pantógrafo encuentra a su paso una catenaria estática que no ha sido perturbada por la onda que aún no ha llegado. No obstante, ningún administrador de infraestructuras ferroviarias se atreverá a autorizar estas velocidades hasta entender con precisión la dinámica y las tensiones en la zona de contacto. Las soluciones actuales están muy probadas a velocidades subcríticas y, aun así, la fiabilidad no es infinita. En los últimos meses se han concatenado fallos en catenarias de líneas de alta velocidad en España que han disparado las quejas. Los problemas han sido eléctricos en la mayoría de los casos, lo cual no les resta gravedad, pero los aleja del tema en esta entrada. Incluso la rotura del pasado 30 de junio en la zona de La Sagra, que interrumpió el tráfico entre Madrid, Toledo y Andalucía, se debió, según las explicaciones del administrador español (Adif), a la fusión de un elemento de la catenaria por sobreintensidad eléctrica.

Guiado

La propagación de ondas mecánicas en la catenaria no es el único factor que puede limitar la velocidad del ferrocarril convencional. El guiado se consigue con la conicidad de las ruedas en el contacto (Fig. 2), y esta geometría es, a su vez, la causa de la oscilación lateral del eje sobre la vía (movimiento de lazo). La oscilación se hace inestable al alcanzar una velocidad que depende, fundamentalmente, de la conicidad. La geometría de diseño se elige para conseguir velocidades críticas por encima de las de operación. Pero el perfil de rueda se modifica con el desgaste, de forma que es necesario retornearlas (proceso que, afortunadamente, puede realizarse sin desmontaje) con más frecuencia de la que sería aconsejable por razones económicas. También aquí se está considerando la posibilidad de controlar activamente este modo de vibración para contener las aceleraciones laterales de la caja del coche de pasajeros [3] aun cuando se esté viajando a velocidad crítica (de lazo) o superior. El problema es que esta dinámica puede influir en las condiciones de descarrilo (determinado por la relación entre las cargas laterales y verticales), de forma que será necesario garantizar la seguridad de operación (mediante simulaciones precisas y ensayos específicos) antes de despachar trenes en los que todos sus ejes puedan alcanzar simultáneamente la velocidad crítica de lazo.  

 No obstante, para tranquilidad de los viajeros en alta velocidad, la relación entre cargas laterales y verticales (que se miden rutinariamente en trenes laboratorio mediante ruedas instrumentadas) suele estar muy alejada de las condiciones de descarrilo incluso a velocidades muy superiores a las de operación, también en curva. El accidente del tren Alvia en Angrois (La Coruña) en 2013 parece contradecir lo anterior, pero el tramo en el que se produjo el descarrilo/vuelco no pertenece a la red de alta velocidad, y es claro que no debió conectarse a la misma sin sistemas de frenado automático.  

Balasto

Las cargas dinámicas mencionadas en el párrafo anterior se transmiten a una infraestructura muy simple. Sorprende que soluciones constructivas de los primeros ferrocarriles del siglo XIX, como carriles atados por traviesas simplemente apoyadas sobre un lecho de piedras (balasto), se sigan utilizando en las líneas de alta velocidad (Fig. 3). Pero lo cierto es que el amortiguamiento introducido por la fricción entre las aristas vivas de las piedras del balasto reduce las aceleraciones verticales y proporciona el lecho para una marcha suave. La alternativa de vía en placa de hormigón utilizada en algunos tramos de la red europea y, con mayor extensión en zonas sísmicas (Japón), no consigue estos niveles de amortiguamiento por más que se utilicen apoyos de elastómero. Es más, las propiedades del balasto se regeneran fácilmente con máquinas bateadoras que “desordenan” las piedras rejuveneciendo los contactos y recalzando las traviesas. El proceso permite, al mismo tiempo, recolocar los carriles y corregir las deformaciones infligidas por el tráfico. Las líneas de alta velocidad se auscultan mediante trenes laboratorio que las recorren con cierta frecuencia para determinar las zonas que habrán de batearse y establecer así el calendario de mantenimiento. La intensificación del tráfico en España (catalizado por la liberalización del mercado) ha acelerado el deterioro geométrico, y es posible, a juzgar por el estado de algunos tramos de la red, que Adif deba actualizar su protocolo de mantenimiento. Por otra parte, a mayor velocidad de circulación, mayor deterioro geométrico de la vía, y mayor frecuencia de las operaciones de bateo y recolocación. El mencionado ensayo a 450 km/h [1] deterioró significativamente el tramo de pruebas, y aquí puede residir uno de los límites más severos a la velocidad del ferrocarril tradicional sobre balasto.

Los tramos bateados recuperan buena parte de sus características iniciales, tanto las positivas como las negativas. Se ha comprobado que el balasto recién colocado tiene mayor facilidad para volar con el flujo aerodinámico generado por el tren, de forma que las primeras pasadas reciben mayor número de impactos de piedras levantadas e impulsadas por el complicado flujo alrededor del vehículo. Las pasadas sucesivas parecen “peinar” el lecho colocando las piedras allí donde quedan encajadas. El fenómeno se detecta también cuando los trenes son obligados a viajar por la vía paralela que suele estar peinada en la otra dirección.     

Filtros (suspensión) y estructura

La irregularidad geométrica de la vía, ya sea consecuencia del deterioro acumulado por el tráfico, o de la imprecisión inherente a cualquier sistema constructivo, se traduce en violentas vibraciones verticales y horizontales de las ruedas. El cuerpo humano (pasajeros) no tolera por mucho tiempo este nivel de aceleraciones, lo que obliga a reducirlas en su transmisión hasta la estructura del coche de viajeros. La vibración que se trata de reducir (o filtrar) es aleatoria, pero es posible cuantificar su contenido en frecuencia. El procedimiento es conceptualmente similar al que permite descomponer en armónicos las señales periódicas. Afortunadamente, los sistemas flexibles filtran con mucha efectividad las frecuencias alejadas de las “propias” del sistema. En alta velocidad se suelen disponer dos filtros principales (Fig. 4). Uno entre los ejes y la estructura del rodal o carretón (suspensión primaria) y otro entre este bastidor y la estructura del coche (suspensión secundaria, que suele ser neumática para hacer que la frecuencia natural no dependa del nivel de ocupación). Pero el aumento de velocidad desplaza el contenido en frecuencia, trayendo frecuencias bajas al rango en el que producen molestia a los pasajeros. El filtrado de vibraciones con velocidades crecientes representa un desafío que posiblemente demandará sistemas con control activo.

El filtrado completo no es factible, de forma que la estructura del coche ferroviario, y todo aquello que transporta, está excitada por la vibración que no ha podido filtrase, así como por la que se transmite a través de otros anclajes de mayor rigidez. Las estructuras se fabrican en aluminio, aunque se comienza a probar cajas y rodales en material compuesto de fibra de carbono y resina epoxy. Al contrario que en vehículos aéreos, en los que la reducción de peso tiene una influencia directa (y en cascada) en el consumo energético de operación, el ferrocarril puede regenerar parte de la energía cinética acumulada, de forma que la necesidad de aligerar las estructuras está aquí relacionada con la reducción de cargas, tensiones y daño acumulado. La reducción de masa suele ir acompañada de disminución de rigidez, y la combinación de ambos factores contrapuestos puede traducirse en menores frecuencias propias. De nuevo, las frecuencias a las que vibraría libremente la estructura, es decir, aquellas que no es capaz de filtrar, se acercan a la zona molesta para el cuerpo humano. Es más, la capacidad de disipación del aluminio es extremadamente baja, con lo que la vibración estructural perdura, incomodando a los pasajeros y limitando la velocidad. Una solución factible es la utilización de capas de material viscoelástico (con alta capacidad de transformación de energía mecánica en térmica) embebidas en la estructura metálica. Los ensayos con probetas de laboratorio demuestran mayor eficacia que los realizados en vehículos ferroviarios, lo que indica que las capas deben incorporarse al diseño, en lugar de utilizarlas como “apósitos” sobre estructuras existentes.

También los materiales piezoeléctricos permiten disipar energía mecánica si se conectan a circuitos de derivación. Con la ventaja, frente a los viscoelásticos, de poder ajustar los parámetros del circuito para seleccionar las frecuencias a filtrar. Es más, dichos parámetros pueden controlarse de forma activa en función de la vibración mecánica medida para tratar de reducirla.

Las vibraciones transmitidas a los pasajeros crecen de forma no-lineal con la velocidad y, por tanto, aquí puede residir un nuevo límite a añadir a los señalados en esta entrada. Este último límite, no obstante, ni está cercano ni es exclusivo del ferrocarril convencional.  Todo hace prever, por tanto, que la duración de los viajes en ferrocarril convencional seguirá reduciéndose en las próximas décadas.

Referencias:

1. Project V150, https://en.wikipedia.org/wiki/Project_V150
2. Wang, J., Zhang, W., & Mei, G. (2023). An exploration of the super-critical speed dynamic behaviours of the pantograph-catenary system.Vehicle System Dynamics, 62(9), 2375–2400. https://doi.org/10.1080/00423114.2023.2289663
3. Wang Q, Jiang X, Zeng J, Mao R, Wei L, Wu S. Innovative method for high-speed railway carbody vibration control caused by hunting instability using underframe suspended equipment.Journal of Vibration and Control. 2024;0(0). doi:1177/10775463241272954