En este artículo me he propuesto explicar cómo funciona una montaña rusa desde un punto de vista físico...pero sin usar números ni fórmulas, de forma simplista y entendible. Hago esto para que esta explicación sea comprensible para el mayor espectro de lectores posible.
¿Qué hace que las montañas rusas se muevan?
El funcionamiento de las montañas rusas se basa en una rama muy importante de la física llamada dinámica. La dinámica estudia cómo las fuerzas producen movimiento sobre los cuerpos. Dentro de la dinámica, hay una ley importantísima (la ley fundamental de la dinámica) que dice lo siguiente: cuando un cuerpo se somete a una fuerza, éste experimenta una aceleración y, por lo tanto, se mueve. Es decir, hacen falta fuerzas para que haya movimiento. Uno podría razonar que, para moverse, las montañas rusas podrían emplear la fuerza de un motor incorporado en cada tren, igual que los automóviles...¡pero no! Las montañas rusas aprovechan una fuerza mucho más barata y accesible: la fuerza de la gravedad.
La fuerza gravitacional es un tipo de fuerza que producen los cuerpos con gran cantidad de masa hacia su centro. Como nuestro planeta, la Tierra, tiene una masa tan descomunal, produce una fuerza gravitatoria que "tira" de nosotros hacia su centro y nos mantiene en la superficie terrestre, y no flotando en el espacio. La fuerza de la gravedad produce en todos los demás objetos una aceleración que es prácticamente la misma en todos los rincones de la superficie del planeta. Es decir, da igual si estás en la cima del monte Everest o en una playa de Hawaii, la gravedad tira de ti hacia el centro de la Tierra con la misma fuerza. Ahora bien, ¿De qué manera aprovechan las montañas rusas la gravedad? Para entender esto hay que introducir un concepto nuevo: la energía.
La energía se define como la capacidad de un cuerpo o sistema de realizar trabajo (movimiento) o de transferir calor. Hay muchos tipos de energía: nuclear, térmica, sonora, lumínica...en las montañas rusas hay involucradas cuatro tipos de energía diferentes; en este apartado hablaremos de dos de ellas y luego de las otras dos.
Permitidme que os presente a la energía potencial (Ep) y la energía cinética (Ec), dos tipos de energía que son como dos caras de una misma moneda: son distintas entre sí pero no se puede entender la una sin la otra. La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo en función de su movimiento: cuanto más velocidad tenga un cuerpo, más energía cinética tiene, así de simple. La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo en función de su altura dentro de un campo gravitatorio; dicho de otra manera, a cuanta más altura esté un cuerpo de la superficie terrestre, más energía potencial tiene. Estas dos formas de energía juegan un papel importantísimo en el funcionamiento de la montaña rusa, son la clave de su funcionamiento. ¿Alguna vez has oído que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma? Es completamente cierto: la energía potencial (altura) se transforma en energía cinética (velocidad), y luego la energía cinética (velocidad) se transforma de nuevo en energía potencial (altura).
Ahora bien, para que una montaña rusa funcione y pueda aprovechar la gravedad, primero le tenemos que proporcionar una de estas dos formas de energía. Los ascensores (lifts) acumulan energía potencial, en ellas un sistema motorizado hace ascender el tren hasta una determinada altura, con lo que obtienen una energía potencial que en la caída se transforma en energía cinética; piensa en cómo el ascensor de Shambhala (PortAventura, 2012) asciende el tren hasta los 76 metros de altura para dotarlo de la energía necesaria para completar el recorrido. Los sistemas de lanzamiento (launch) hacen todo lo contrario: acumulan energía cinética que luego se pueden convertir en energía potencial; en Red Force (Ferrari Land, 2017), un sistema de lanzamiento hace que el tren alcance los 180 kilómetros por hora, una energía suficiente para seguidamente alcanzar los 122 metros de altura.
En teoría, en un mundo ideal, la energía de una montaña rusa se iría transformando de forma alterna en energía cinética y energía potencial gravitatoria indefinidamente, sin parar nunca. En el mundo real, sin embargo, las cosas funcionan de otra manera, y hay otras dos fuerzas que son responsables de terminar con nuestra diversión.
¿Por qué las montañas rusas se acaban parando?
Si este artículo fuera una novela, la gravedad sería nuestro héroe protagonista, que mueve las montañas rusas y nos proporciona diversión, mientras que los villanos serían otras dos fuerzas de las que todavía no habíamos hablado: la fuerza de rozamiento y la resistencia del aire.
La resistencia del aire es una fuerza que actúa sobre los objetos que se mueven en un medio aéreo y produce una aceleración que es opuesta a la del movimiento del cuerpo, es decir, lo frena. Afortunadamente, los diseñadores de montañas rusas tienen muy en cuenta esta fuerza y por ello diseñan trenes aerodinámicos que minimizan su efecto. De hecho, el efecto de la resistencia del aire es prácticamente nula debido al enorme peso que tienen los trenes de las montañas rusas (a veces varias toneladas de peso) y la aerodinámica de los trenes. La resistencia del aire es, por tanto, un "villano" que intenta acabar con nuestra diversión, pero no es muy eficaz...pero entonces, ¿qué es lo que acaba con nuestra diversión?
La fuerza de rozamiento es una fuerza que resulta de la adherencia de las ruedas con las vías y, al igual que la resistencia del aire, produce una aceleración que es opuesta a la del movimiento del cuerpo, es decir, lo frena. Es posible minimizar el efecto de esta fuerza, por ejemplo, lubricando la vía, o usando ruedas del material adecuado, pero es imposible acabar con ella. La fuerza de rozamiento es la principal responsable de que los trenes de la montaña rusa pierdan energía potencial y cinética.
La fuerzas de rozamiento y la resistencia del aire son, por lo tanto, las responsables de frenar el tren, de hacer que "pierda" energía...pero recuerda, ¡la energía no se pierde, solo se transforma! ¿En qué se transforman las energías cinética y potencial? Se transforman en dos formas de energía de las que todavía no habíamos hablado: energía calorífica y energía sonora, es decir, calor y sonido. Que las montañas rusas producen sonido es evidente, el rugido de Dragon Khan (PortAventura, 1995) es inconfundible, pero...¿y el calor? Aunque no lo parezca, las montañas rusas general mucho calor que, aunque se dispersa, acaba calentando las vías y las ruedas; nunca toques las ruedas o la vía de una montaña rusa después de haber hecho varios ciclos seguidos, ¡podrías quemarte!
Resumen: ¿cómo funciona una montaña rusa?
Las montañas rusas se aprovechan de la aceleración que produce la fuerza gravitacional para funcionar. Para ello, nosotros debemos aportar energía al sistema, bien en forma de energía cinética (velocidad, con un sistema de lanzamiento) o en forma de energía potencial (altura, con un ascensor); tras esto, ambas energías se van transformando la una en la otra, según el diseño del recorrido: en los puntos de mayor altura del recorrido, el tren alcanza el máximo valor de energía potencial, en los puntos menor altura, alcanza su máximo valor de energía cinética. Al final, la energía se acaba perdiendo del sistema, se transforma en energía calorífica (calor) y energía sonora (sonido) debido a las fuerzas de rozamiento y la resistencia del aire.
En el próximo artículo hablaremos de algo fundamental de las montañas rusas: sus sistemas de seguridad. Os pido que dejéis en los comentarios dudas, inquietudes, y cuestiones que os interesen sobre la seguridad de estas grandes máquinas de adrenalina.