{"id":24066,"date":"2025-09-23T07:04:17","date_gmt":"2025-09-23T05:04:17","guid":{"rendered":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/?p=24066"},"modified":"2025-09-04T09:54:13","modified_gmt":"2025-09-04T07:54:13","slug":"el-ferrocarril-y-la-velocidad","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/?p=24066","title":{"rendered":"El ferrocarril y la velocidad"},"content":{"rendered":"

La duraci\u00f3n de los viajes en ferrocarril se ha reducido significativamente en las \u00faltimas d\u00e9cadas. De Barcelona a Sevilla se requer\u00edan trece horas en los a\u00f1os ochenta y tan s\u00f3lo cinco y media en la actualidad. Los mil doscientos kil\u00f3metros entre Shangh\u00e1i y Beijing se pueden recorrer en cuatro horas y media frente a las doce que invert\u00edan los pasajeros de hace unos pocos a\u00f1os. La transformaci\u00f3n ha sido (y est\u00e1 siendo) posible con la construcci\u00f3n de las llamadas l\u00edneas de alta velocidad, pero ni esta infraestructura ni los veh\u00edculos 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 veh\u00edculos guiados como la levitaci\u00f3n magn\u00e9tica (uno de los pocos grandes proyectos de levitaci\u00f3n magn\u00e9tica, el Chuo Shinkansen entre Tokyo y Nagoya, est\u00e1 sufriendo sobrecostes y retrasos que, seg\u00fan las estimaciones m\u00e1s realistas, no permitir\u00e1n inaugurarlo antes de 2034). La mayor parte de los nuevos trazados son convencionales con especificaciones de velocidad mejoradas y en ascenso. La primera l\u00ednea de alta velocidad en Espa\u00f1a (Madrid-Sevilla) se dise\u00f1\u00f3 para alcanzar 300 km\/h en algunos tramos del trazado, mientras que la l\u00ednea a Barcelona se construy\u00f3 una d\u00e9cada m\u00e1s 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 est\u00e1n fabricando trenes que, se espera, puedan alcanzar 450 km\/h en l\u00edneas existentes. Estos registros se han alcanzado sin alterar los ingredientes b\u00e1sicos de los primeros dise\u00f1os de los siglos XIX y XX, y es que aquellas soluciones intuitivas escond\u00edan caracter\u00edsticas favorables para la evoluci\u00f3n que sigui\u00f3 y que, todo hace prever, seguir\u00e1. Los l\u00edmites se desconocen, pero se sabe d\u00f3nde buscar. En esta entrada se describen algunas de las caracter\u00edsticas favorables y se se\u00f1alan los l\u00edmites que ya se atisban.<\/p>\n

Catenaria<\/strong><\/p>\n

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Fig. 1. Contrapesos en los extremos del cant\u00f3n. L\u00ednea Madrid-Sevilla.<\/figcaption><\/figure>\n

Cuando el ferrocarril se electrific\u00f3 a inicios del siglo XX, se idearon sistemas de alimentaci\u00f3n mediante una superestructura de cables (catenaria) en contacto con un mecanismo en el tren (pant\u00f3grafo) que trata de mantener constante la fuerza de contacto entre las mesillas rozantes del pant\u00f3grafo y el hilo conductor de la catenaria. Una fuerza excesiva aumenta el desgaste, mientras que una fuerza demasiado baja da lugar a arcos el\u00e9ctricos 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 cant\u00f3n (Fig. 1). El sistema permite dilataciones y contracciones t\u00e9rmicas manteniendo la fuerza. La tensi\u00f3n es suficientemente elevada como para que la velocidad de propagaci\u00f3n de las ondas mec\u00e1nicas 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\/tensi\u00f3n, mayor velocidad de la onda). Puesto que las velocidades de circulaci\u00f3n actuales son sensiblemente inferiores, el pant\u00f3grafo est\u00e1 en contacto con una catenaria que comenz\u00f3 a oscilar antes de la llegada del tren. Esta din\u00e1mica afecta a la fuerza de contacto, y son muchos los detalles de este sistema tradicional que se han retocado para reducir su oscilaci\u00f3n.<\/p>\n

Es posible que, para incrementar la velocidad de circulaci\u00f3n, sea necesario tensar la catenaria como se hizo en Francia para el ensayo del TGV a 540 km\/h [1], pero tensar todas las l\u00edneas existentes es muy costoso (equivale, de hecho, a redise\u00f1arlas y reconstruirlas). Por ello se est\u00e1 estudiando la posibilidad de utilizar la catenaria a velocidades supercr\u00edticas (mayores que la velocidad de propagaci\u00f3n de la onda). La violencia de la interacci\u00f3n crece con la velocidad hasta alcanzar la cr\u00edtica, y decrece despu\u00e9s de superada. La velocidad supercr\u00edtica se demuestra factible en estudios preliminares [2]. En estos casos, el pant\u00f3grafo encuentra a su paso una catenaria est\u00e1tica que no ha sido perturbada por la onda que a\u00fan no ha llegado. No obstante, ning\u00fan administrador de infraestructuras ferroviarias se atrever\u00e1 a autorizar estas velocidades hasta entender con precisi\u00f3n la din\u00e1mica y las tensiones en la zona de contacto. Las soluciones actuales est\u00e1n muy probadas a velocidades subcr\u00edticas y, aun as\u00ed, la fiabilidad no es infinita. En los \u00faltimos meses se han concatenado fallos en catenarias de l\u00edneas de alta velocidad en Espa\u00f1a que han disparado las quejas. Los problemas han sido el\u00e9ctricos en la mayor\u00eda 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 interrumpi\u00f3 el tr\u00e1fico entre Madrid, Toledo y Andaluc\u00eda, se debi\u00f3, seg\u00fan las explicaciones del administrador espa\u00f1ol (Adif), a la fusi\u00f3n de un elemento de la catenaria por sobreintensidad el\u00e9ctrica.<\/p>\n

Guiado<\/strong><\/p>\n

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Fig. 2. Rueda de ferrocarril de alta velocidad. Talleres de La Sagra.<\/figcaption><\/figure>\n

La propagaci\u00f3n de ondas mec\u00e1nicas en la catenaria no es el \u00fanico 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 geometr\u00eda es, a su vez, la causa de la oscilaci\u00f3n lateral del eje sobre la v\u00eda (movimiento de lazo). La oscilaci\u00f3n se hace inestable al alcanzar una velocidad que depende, fundamentalmente, de la conicidad. La geometr\u00eda de dise\u00f1o se elige para conseguir velocidades cr\u00edticas por encima de las de operaci\u00f3n. Pero el perfil de rueda se modifica con el desgaste, de forma que es necesario retornearlas (proceso que, afortunadamente, puede realizarse sin desmontaje) con m\u00e1s frecuencia de la que ser\u00eda aconsejable por razones econ\u00f3micas. Tambi\u00e9n aqu\u00ed se est\u00e1 considerando la posibilidad de controlar activamente este modo de vibraci\u00f3n para contener las aceleraciones laterales de la caja del coche de pasajeros [3] aun cuando se est\u00e9 viajando a velocidad cr\u00edtica (de lazo) o superior. El problema es que esta din\u00e1mica puede influir en las condiciones de descarrilo (determinado por la relaci\u00f3n entre las cargas laterales y verticales), de forma que ser\u00e1 necesario garantizar la seguridad de operaci\u00f3n (mediante simulaciones precisas y ensayos espec\u00edficos) antes de despachar trenes en los que todos sus ejes puedan alcanzar simult\u00e1neamente la velocidad cr\u00edtica de lazo. \u00a0<\/p>\n

\u00a0No obstante, para tranquilidad de los viajeros en alta velocidad, la relaci\u00f3n 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 operaci\u00f3n, tambi\u00e9n en curva. El accidente del tren Alvia en Angrois (La Coru\u00f1a) 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 debi\u00f3 conectarse a la misma sin sistemas de frenado autom\u00e1tico. \u00a0<\/p>\n

Balasto<\/strong><\/p>\n

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Fig. 3. V\u00eda sobre balasto. L\u00ednea Madrid-Sevilla.<\/figcaption><\/figure>\n

Las cargas din\u00e1micas mencionadas en el p\u00e1rrafo 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 l\u00edneas de alta velocidad (Fig. 3). Pero lo cierto es que el amortiguamiento introducido por la fricci\u00f3n entre las aristas vivas de las piedras del balasto reduce las aceleraciones verticales y proporciona el lecho para una marcha suave. La alternativa de v\u00eda en placa de hormig\u00f3n utilizada en algunos tramos de la red europea y, con mayor extensi\u00f3n en zonas s\u00edsmicas (Jap\u00f3n), no consigue estos niveles de amortiguamiento por m\u00e1s que se utilicen apoyos de elast\u00f3mero. Es m\u00e1s, las propiedades del balasto se regeneran f\u00e1cilmente con m\u00e1quinas bateadoras que \u201cdesordenan\u201d 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 tr\u00e1fico. Las l\u00edneas de alta velocidad se auscultan mediante trenes laboratorio que las recorren con cierta frecuencia para determinar las zonas que habr\u00e1n de batearse y establecer as\u00ed el calendario de mantenimiento. La intensificaci\u00f3n del tr\u00e1fico en Espa\u00f1a (catalizado por la liberalizaci\u00f3n del mercado) ha acelerado el deterioro geom\u00e9trico, 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 circulaci\u00f3n, mayor deterioro geom\u00e9trico de la v\u00eda, y mayor frecuencia de las operaciones de bateo y recolocaci\u00f3n. El mencionado ensayo a 450 km\/h [1] deterior\u00f3 significativamente el tramo de pruebas, y aqu\u00ed puede residir uno de los l\u00edmites m\u00e1s severos a la velocidad del ferrocarril tradicional sobre balasto.<\/p>\n

Los tramos bateados recuperan buena parte de sus caracter\u00edsticas iniciales, tanto las positivas como las negativas. Se ha comprobado que el balasto reci\u00e9n colocado tiene mayor facilidad para volar con el flujo aerodin\u00e1mico generado por el tren, de forma que las primeras pasadas reciben mayor n\u00famero de impactos de piedras levantadas e impulsadas por el complicado flujo alrededor del veh\u00edculo. Las pasadas sucesivas parecen \u201cpeinar\u201d el lecho colocando las piedras all\u00ed donde quedan encajadas. El fen\u00f3meno se detecta tambi\u00e9n cuando los trenes son obligados a viajar por la v\u00eda paralela que suele estar peinada en la otra direcci\u00f3n. \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0<\/p>\n

Filtros (suspensi\u00f3n) y estructura<\/strong><\/p>\n

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Fig. 4. Rodal del Talgo F070. Las Matas (Madrid).<\/figcaption><\/figure>\n

La irregularidad geom\u00e9trica de la v\u00eda, ya sea consecuencia del deterioro acumulado por el tr\u00e1fico, o de la imprecisi\u00f3n 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 transmisi\u00f3n hasta la estructura del coche de viajeros. La vibraci\u00f3n 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 arm\u00f3nicos las se\u00f1ales peri\u00f3dicas. Afortunadamente, los sistemas flexibles filtran con mucha efectividad las frecuencias alejadas de las \u201cpropias\u201d del sistema. En alta velocidad se suelen disponer dos filtros principales (Fig. 4). Uno entre los ejes y la estructura del rodal o carret\u00f3n (suspensi\u00f3n primaria) y otro entre este bastidor y la estructura del coche (suspensi\u00f3n secundaria, que suele ser neum\u00e1tica para hacer que la frecuencia natural no dependa del nivel de ocupaci\u00f3n). 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 desaf\u00edo que posiblemente demandar\u00e1 sistemas con control activo.<\/p>\n

El filtrado completo no es factible, de forma que la estructura del coche ferroviario, y todo aquello que transporta, est\u00e1 excitada por la vibraci\u00f3n que no ha podido filtrase, as\u00ed como por la que se transmite a trav\u00e9s 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 veh\u00edculos a\u00e9reos, en los que la reducci\u00f3n de peso tiene una influencia directa (y en cascada) en el consumo energ\u00e9tico de operaci\u00f3n, el ferrocarril puede regenerar parte de la energ\u00eda cin\u00e9tica acumulada, de forma que la necesidad de aligerar las estructuras est\u00e1 aqu\u00ed relacionada con la reducci\u00f3n de cargas, tensiones y da\u00f1o acumulado. La reducci\u00f3n de masa suele ir acompa\u00f1ada de disminuci\u00f3n de rigidez, y la combinaci\u00f3n de ambos factores contrapuestos puede traducirse en menores frecuencias propias. De nuevo, las frecuencias a las que vibrar\u00eda libremente la estructura, es decir, aquellas que no es capaz de filtrar, se acercan a la zona molesta para el cuerpo humano. Es m\u00e1s, la capacidad de disipaci\u00f3n del aluminio es extremadamente baja, con lo que la vibraci\u00f3n estructural perdura, incomodando a los pasajeros y limitando la velocidad. Una soluci\u00f3n factible es la utilizaci\u00f3n de capas de material viscoel\u00e1stico (con alta capacidad de transformaci\u00f3n de energ\u00eda mec\u00e1nica en t\u00e9rmica) embebidas en la estructura met\u00e1lica. Los ensayos con probetas de laboratorio demuestran mayor eficacia que los realizados en veh\u00edculos ferroviarios, lo que indica que las capas deben incorporarse al dise\u00f1o, en lugar de utilizarlas como \u201cap\u00f3sitos\u201d sobre estructuras existentes.<\/p>\n

Tambi\u00e9n los materiales piezoel\u00e9ctricos permiten disipar energ\u00eda mec\u00e1nica si se conectan a circuitos de derivaci\u00f3n. Con la ventaja, frente a los viscoel\u00e1sticos, de poder ajustar los par\u00e1metros del circuito para seleccionar las frecuencias a filtrar. Es m\u00e1s, dichos par\u00e1metros pueden controlarse de forma activa en funci\u00f3n de la vibraci\u00f3n mec\u00e1nica medida para tratar de reducirla.<\/p>\n

Las vibraciones transmitidas a los pasajeros crecen de forma no-lineal con la velocidad y, por tanto, aqu\u00ed puede residir un nuevo l\u00edmite a a\u00f1adir a los se\u00f1alados en esta entrada. Este \u00faltimo l\u00edmite, no obstante, ni est\u00e1 cercano ni es exclusivo del ferrocarril convencional. \u00a0Todo hace prever, por tanto, que la duraci\u00f3n de los viajes en ferrocarril convencional seguir\u00e1 reduci\u00e9ndose en las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas.<\/p>\n

Referencias:<\/strong><\/p>\n

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  1. Project V150, https:\/\/en.wikipedia.org\/wiki\/Project_V150<\/a><\/li>\n
  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<\/em>,\u00a062<\/em>(9), 2375\u20132400. https:\/\/doi.org\/10.1080\/00423114.2023.2289663<\/a><\/li>\n
  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<\/em>. 2024;0(0). doi:1177\/10775463241272954<\/a><\/li>\n<\/ol>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    La duraci\u00f3n de los viajes en ferrocarril se ha reducido significativamente en las \u00faltimas d\u00e9cadas. De Barcelona a Sevilla se requer\u00edan trece horas en los a\u00f1os ochenta y tan s\u00f3lo cinco y media en la actualidad. 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    Publio Pintado<\/p>\r\n

    Escuela T\u00e9cnica Superior de Ingenier\u00eda Industrial<\/p>\r\n

    Universidad de Castilla La Mancha<\/p>"}],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/24066","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/79"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=24066"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/24066\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":24068,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/24066\/revisions\/24068"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/24071"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=24066"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=24066"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=24066"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.rasc.es\/blogacademia\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fppma_author&post=24066"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}