Winter is coming: hielo, fuego… y trenes

Por Iván Rivera, el 31 enero, 2019. Categoría(s): Divulgación • Ingeniería
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En lo más crudo del crudo invierno, en los alrededores de las estaciones del gran nodo ferroviario del medio oeste norteamericano, puede verse un espectáculo digno de un círculo del infierno aún desconocido en los tiempos de Dante: inmensas locomotoras tirando de trenes sobre vías en llamas.

Con la ola de frío que afecta a una gran parte de Estados Unidos, han llegado hasta mis oídos noticias —¡guau, hace tanto frío que están prendiéndole fuego a las vías!— en las que periodistas y legos del mundo ferroviario a partes iguales se maravillan y sorprenden ante algo aparentemente absurdo y, desde luego, espectacular. ¿Por qué arden las vías en Chicago? Y ¿por qué no lo hacen aquí cuando el proverbial grajo roza con sus plumas el suelo?

Impactante, pero no noticia

Las vías del tren son una infraestructura realmente resistente, capaz de soportar condiciones climáticas que inspiran terror en los corazones de los mortales. Como prueba, dos simples botones: el ferrocarril transiberiano lleva en operación desde 1916 —completamente electrificado desde 2002— recorriendo 9289 durísimos kilómetros entre Moscú y Vladivostok. Por otra parte, desde solo hace unos meses (2018) funciona comercialmente la línea de ferrocarril de alta velocidad Haramain en Arabia Saudita, ligando las ciudades de La Meca y Medina a través de 449 kilómetros de desierto.

Igual que el problema del desierto es la arena, el problema de las ubicaciones afectadas por climas fríos es la nieve y el hielo. Las vías propiamente dichas no empiezan a sufrir efectos debidos a las bajas temperaturas hasta que estas no alcanzan valores más allá de su envolvende de diseño original —veremos algo sobre esto más adelante. Sin embargo, hay piezas móviles en el sistema y, como cualquier ingeniero afirmará, lo que primero se rompe es lo que se mueve. ¿Y qué es lo que se mueve en las vías?

Algo se mueve en las vías

Cuando uno piensa en vías de tren es fácil dejarse llevar por esa imagen simplificada de los raíles metálicos, brillantes y paralelos que se unen visualmente en el horizonte por obra y gracia de la perspectiva. Sin embargo, las estaciones tienen más de una vía y es necesario habilitar medios para que esta multiplicidad de vías se cruce y permita a los trenes que ruedan sobre ellas cambiar de un par de carriles a otro. Esto se logra mediante los llamados aparatos de vía, de los que los más conocidos son los desvíos, también llamados cambios de agujas o, en un pequeño abuso del lenguaje «agujas», para abreviar.

Funcionamiento de un desvío. (Imagen: Emdx, Wikimedia Commons).

Las agujas propiamente dichas son los dos segmentos de raíl que se desplazan solidariamente entre las dos contraagujas del montaje gracias a unos tirantes accionados por un motor. Cuando este motor alcanza el final de su recorrido en un extremo o el otro, se enclava mecánicamente de modo que la gran masa del tren no mueva de sitio las agujas a su paso, lo que provocaría que una parte del tren siguiera una vía y otra, la adjacente. Podéis imaginar las consecuencias.

La nieve, y más aún el hielo que se forma cuando la nieve se compacta, pueden llegar a bloquear el movimiento del motor de la aguja, impidiendo el cambio de vía de los trenes y, por tanto, la operación segura del sistema. Imagináos: las señales cambian de estado (de «aspecto», nos gusta decir a los ferroviarios) de forma solidaria con el enclavamiento de las agujas, entre otras condiciones. Si las agujas no pueden enclavarse, las señales podrían no ser fiables y no se establecerían rutas seguras, permitiendo descarrilamientos. Por ello, en lugares donde el frío aprieta, es necesario disponer algún sistema capaz de limpiar las vías en estos puntos críticos. Ya no estamos en el siglo XIX y no es aceptable que este trabajo lo realicen operarios provistos de una pala.

Calefactores de agujas

La ingenuidad humana ha alumbrado toda una gama de tecnologías para resolver este problema. Lo que vemos en el vídeo del principio del artículo son calefactores de gas, que funcionan de manera análoga a los fogones de una cocina de gas natural de restaurante, incluyendo sus dispositivos de encendido automático. La llama abierta es sin duda espectacular, pero es un problema para otras partes del sistema: las traviesas. Todos tenemos en mente esas grandes piezas tradicionalmente de madera y de divertido nombre que unen los carriles: el problema aquí es precisamente el «de madera». La madera y el fuego no son precisamente buenos compañeros. En aparatos de vía equipados con calefactores de gas es habitual tener que cambiar varias traviesas al año debido a los daños térmicos.

En los Estados Unidos la tecnología ferroviaria no destaca por su avance, sin embargo. Otras redes ferroviarias, como por ejemplo la española, ni siquiera montan ya traviesas nuevas de madera —los modelos actualmente empleados son monobloque de hormigón. Naturalmente, tampoco los calefactores de agujas funcionan con gas. El aire caliente, también usado durante algún tiempo, dejó paso a una generación de calefactores de agujas eléctricos que aprovechan el efecto Joule de manera idéntica a cómo un calefactor doméstico portátil generan calor. Un juego de resistencias, dispuestas en pastillas, se encargan de mantener la temperatura de las partes móviles de los desvíos por encima de los cero grados, impidiendo así la formación de hielo sobre ellos.

Perfil de temperaturas inducido en un calentador de tipo inductivo. (Imagen: TELICE, SA).

La próxima generación de calentadores de agujas será también eléctrica, pero estará basada en la generación de calor por inducción electromagnética. El campo electromagnético generado por unas bobinas por las que circula corriente alterna inducirá a su vez bucles de corriente (las llamadas corrientes de Foucault) en el interior de la masa metálica del acero de los raíles. Estas corrientes se transformarán en calor por obra, de nuevo, del efecto Joule —ya que la resistencia al paso de la corriente de los raíles no es nula. Como vemos, es lo mismo que si fuéramos capaces de generar a voluntad las resistencias de los calefactores resistivos, pero dentro del metal. No es raro que las eficiencias de conversión de la corriente eléctrica en calor que pueden alcanzarse así sean muy superiores, llegándose al 80% (respecto de un 20% para los calefactores resistivos).

¡Pero sí les están prendiendo fuego a las vías!

Parece ser que esta ola de frío, en la que se están alcanzando temperaturas de hasta –40 °C, está obligando a los mantenedores de las vías a prender fuego, literalmente, a segmentos completos de vías para poder repararlas. ¿Qué es exactamente lo que está ocurriendo?

Operarios dilatando el carril con fuego para proceder a una reparación. (Foto: Metra).

Como todos los materiales, el acero de los raíles responde a los cambios de temperatura contrayéndose o expandiéndose, según si enfriamos o calentamos el ambiente. Para un objeto esencialmente lineal como un carril ferroviario, el cambio se modela bien mediante un sencillo coeficiente de dilatación térmica, que vale 11 o 12 micrómetros por metro y grado de temperatura (da igual Kelvin o grados centígrados, porque hablamos de cambios de temperatura, no de valores absolutos, y ambas escalas son igual de grandes).

Esta pequeña expansión o contracción se acumula metro a metro, por lo que para raíles de 72 metros y cambios térmicos de 30 grados (típicos en un mismo día en ubicaciones con clima continental en verano) ya estamos hablando de variaciones de casi 2,6 centímetros —para estadounidenses, un poco más de una pulgada. Ese es el origen de las juntas de dilatación, huecos entre raíles (que se aseguran con piezas metálicas planas atornilladas a ambos lados de la parte estrecha del carril), y por extensión del tradicional traqueteo del tren. Tran-trán, tran-trán… Traqueteo que ya no oímos en la mayor parte de las líneas europeas, porque aquí soldamos los raíles in situ mediante un proceso llamado soldadura aluminotérmica. El posterior amolado permite mejorar mucho la calidad de la marcha y es un factor importante en la suavidad de las líneas de alta velocidad. La dilatación, naturalmente, no desaparece; el problema se resuelve con unos aparatos de vía específicos en los que dos tramos muy largos de raíl biselado deslizan entre ellos para cada raíl, manteniendo constante el perfil en el que apoyan las ruedas de los vehículos.

Los raíles de las líneas férreas se tienden buscando que se comporten correctamente en el mayor rango de temperaturas posible. Para ello, se calculan respecto de una temperatura de dilatación neutra, que debería corresponder a la moda de la ubicación de tendido (el valor más frecuente). Temperaturas muy altas dilatarían el carril más allá de la capacidad de las juntas de dilatación (o del aparato de vía específico para carril soldado) para absorber ese crecimiento, provocando tensiones y en casos extremos, desviaciones del perfil rectilíneo. En otras palabras, la vía puede llegar a parecer un cordón de zapato dejado caer. En el caso que nos ocupa, por contra, temperaturas muy bajas pueden contraer el metal hasta que los tornillos que sujetan las juntas de dilatación se rompan, o incluso pequeñas grietas originadas por fatiga del acero se vean magnificadas, provocando roturas del carril.

Arreglar estos desperfectos en medio de una ola de frío es todo un reto, ya que hay que calentar el raíl nuevo de modo que no vuelva a romperse, esta vez por dilatación, cuando el frío pase. De ahí que haya sufridos operarios, a temperaturas que hielan el vaho de la respiración, prendiendo fuego a cuerdas empapadas en queroseno y reparando juntas de dilatación para evitar descarrilamientos. Y es que el ferrocarril es resistente, pero los ferroviarios también.

El Canfranero, bloqueado en la estación de Canfranc con 90 centímetros de nieve sobre los raíles. (Foto: Carlos F. Marco, Twitter).


Por Iván Rivera, publicado el 31 enero, 2019
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