Torque: conceptos, ejemplos prácticos y aplicaciones

Si quieres saber por qué es más fácil abrir una puerta empujando desde el borde que desde el centro, la respuesta está en un concepto clave en física llamado ‘torque’. En esta entrada, te explicamos de manera sencilla qué es, cómo se calcula y sus distintas aplicaciones prácticas.

¿Qué se entiende por torque?

El torque es la fuerza que causa la rotación de un objeto alrededor de un punto fijo o un eje.

Es necesario en situaciones en las que se necesita girar o mover un objeto de manera controlada. Por ejemplo, cuando intentas aflojar una tuerca con una llave inglesa: si la llave es corta, necesitas aplicar mucha fuerza. Sin embargo, al usar una llave más larga, el brazo de palanca se extiende, lo que aumenta el torque generado con la misma cantidad de fuerza, haciendo que sea mucho más fácil girar y aflojar la tuerca.

Torque vs. ‘momento de fuerza’

Antes de profundizar en el concepto de torque, es importante aclarar su diferencia con el concepto de «momento de fuerza», dos términos que en física suelen usarse de manera similar, pero que tienen matices distintos según su contexto.

El «momento de fuerza» es un concepto general que describe cualquier situación en la que una fuerza provoca un giro o rotación en un objeto. Mientras que torque se refiere específicamente a la fuerza aplicada para mantener o aumentar este giro.

Por tanto, aunque ambos términos son prácticamente intercambiables, la diferencia radica en el contexto: el «momento de fuerza» es general, mientras que el torque se enfoca en aplicaciones prácticas, como las que se encuentran en la ingeniería y la mecánica.

¿Cómo se calcula el torque?

Su cálculo se basa en la fuerza aplicada y la distancia desde el punto de aplicación de la fuerza hasta el eje de rotación, conocido como «brazo de palanca»:

Torque= Fuerza × Brazo de palanca

Donde:

• Fuerza (F) es la intensidad de la fuerza que se aplica para generar el movimiento rotacional. Se mide en newtons (N).
• Brazo de palanca (r) es la distancia desde el eje de rotación hasta el punto donde se aplica la fuerza. Se mide en metros (m).

Ejemplo práctico 1:

Supongamos que utilizas una llave inglesa para aflojar una tuerca. Si aplicas una fuerza de 40 N y la distancia desde la tuerca (eje de rotación) hasta el punto donde aplicas la fuerza es de 0.3 m, el cálculo del torque sería:

Torque= 40 N × 0.3 m= 12 Nm

Esto significa que has generado un torque de 12 newton-metros. Si quisieras aumentarlo sin aumentar la fuerza, podrías usar una llave más larga para incrementar el brazo de palanca. Por ejemplo, si la llave mide 0.6 m y aplicas la misma fuerza (40 N):

Torque= 40 N × 0.6 m= 24 Nm

En este caso, el torque es el doble sin necesidad de aplicar más fuerza, simplemente aprovechando la longitud mayor de la herramienta.

Consideración del ángulo en el cálculo del torque

Es importante tener en cuenta que la dirección en la que se aplica la fuerza afecta el valor del torque. Para que la fuerza genere el torque máximo, debe aplicarse perpendicularmente al brazo de palanca. Si la fuerza se aplica en un ángulo diferente, se debe ajustar la fórmula usando el seno del ángulo:

Torque= Fuerza × Brazo de palanca × sin⁡(θ)

Donde θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y el brazo de palanca. Este ajuste es necesario porque solo la componente de la fuerza que es perpendicular al brazo de palanca contribuye al torque.

Ejemplo práctico 2:

Supongamos que estás empujando una puerta con una fuerza de 50 N, pero no la empujas perpendicularmente al borde, sino en un ángulo de 30 grados respecto al brazo de palanca (que mide 0.5 m). El cálculo del torque sería:

1. Calcula la componente perpendicular de la fuerza: Fuerza perpendicular= 50 N × sin⁡(30^∘)= 50 N × 0.5= 25 N
2. Aplica esta fuerza en la fórmula del torque: Torque= 25 N × 0.5 m= 12.5 Nm

En este caso, el torque es menor que si la fuerza se aplicara directamente en ángulo recto, demostrando la importancia de la dirección de la fuerza en el cálculo.

Relación entre torque, potencia y energía

Estos tres términos están íntimamente relacionados, especialmente en el contexto de sistemas que involucran movimiento rotacional como motores, turbinas y otros mecanismos. Entender cómo interactúan estos conceptos es importante para optimizar el rendimiento y la eficiencia en diversas aplicaciones prácticas.

Por ejemplo, en la ingeniería automovilística, esta relación se utiliza para diseñar sistemas más eficientes según el tipo de vehículo. En camiones que transportan grandes cargas, se prioriza un torque elevado a bajas velocidades para mover pesos y subir pendientes sin comprometer la eficiencia del combustible. En cambio, los autos deportivos se optimizan para generar alta potencia combinando torque moderado y alta velocidad angular, lo que les permite acelerar rápidamente y alcanzar altas velocidades.

Relación entre torque y potencia

El torque (τ) es la medida de la fuerza que se aplica para hacer girar un objeto alrededor de un eje. Por otro lado, la potencia (P) es la tasa a la que se realiza trabajo o se transfiere energía en un sistema. En un contexto rotacional, la potencia se calcula multiplicando el torque por la velocidad angular (ω), que se mide en radianes por segundo. La fórmula es:

Potencia= Torque × Velocidad angular

Esto significa que la potencia de un sistema rotacional depende tanto de la magnitud del torque como de cuán rápido se produce el giro. En otras palabras, un sistema que genera un torque alto a una velocidad angular alta produce más potencia.

Ejemplo práctico 3:

En los motores de los vehículos, el torque generado se transfiere a las ruedas y la velocidad a la que éstas giran determina cuánta potencia se genera para mover el vehículo. Por ejemplo, un motor que produce 300 Nm de torque a una velocidad angular de 50 rad/s tendría una potencia de:

Potencia= 300 Nm × 50 rad/s= 15.000 W (o 15 kW)

Esto muestra que la potencia depende de la combinación de torque y velocidad angular. Si uno de estos factores aumenta (sin que el otro disminuya), la potencia total generada también aumentará.

La energía y su relación con el torque y la potencia

La energía, en el contexto de sistemas rotacionales, es la capacidad del sistema para realizar trabajo y se encuentra almacenada en objetos que giran. La energía rotacional (E) de un objeto depende tanto del momento de inercia (I) del objeto como de su velocidad angular:

El torque juega un papel importante en la transferencia y conversión de esta energía. Cuando se aplica un torque, se cambia la velocidad angular del objeto, lo que a su vez modifica su energía rotacional. Por lo tanto, al incrementar el torque, no solo se aumenta la potencia, sino que también se cambia la energía del sistema.

¿Cómo optimizar la relación entre torque, potencia y energía?

La optimización de esta relación es necesaria para diseñar sistemas eficientes, sostenibles y rentables. En ingeniería, esta optimización implica ajustar varios parámetros del motor o la máquina para que funcionen en su rango óptimo de torque y velocidad angular. A continuación, se presentan ejemplos de cómo se logra en diferentes contextos:

• Transmisión en automóviles: los sistemas de transmisión ajustan la relación entre torque y velocidad angular para que el motor funcione de manera eficiente en distintas condiciones. En bajas velocidades, la transmisión aumenta el torque para arrancar y mover el vehículo. Mientras que en altas velocidades, se ajusta para maximizar la potencia y mantener un consumo eficiente de combustible.
• Sistemas robóticos: en robótica, los motores y engranajes se calibran para aplicar el torque adecuado en cada tarea, maximizando la eficiencia energética y la precisión. Se utilizan controladores que ajustan el torque en tiempo real, adaptándose a las condiciones y cargas de trabajo, como en brazos robóticos que manipulan objetos de diferentes pesos.
• Turbinas eólicas: las turbinas eólicas optimizan el torque ajustando la orientación de las aspas en función de la velocidad y dirección del viento, generando electricidad de forma eficiente. Los sistemas de control de velocidad mantienen las aspas en su rango óptimo de operación para maximizar la producción de energía.
• Maquinaria industrial: en prensas hidráulicas y tornos CNC, se ajusta el torque según la resistencia del material o las características del trabajo, asegurando precisión y minimizando el consumo energético. Los sistemas adaptan automáticamente el torque y la velocidad para optimizar la eficiencia en cada proceso.
• Motores eléctricos: en vehículos eléctricos y electrodomésticos, controladores electrónicos regulan la corriente para ajustar el torque en función de la carga y demanda del motor. Esto permite maximizar la autonomía y la eficiencia, adaptando la relación entre torque y velocidad según las necesidades operativas.

Aplicaciones prácticas del torque

A continuación, exploramos algunas de las aplicaciones más comunes del torque:

1. Automóviles y vehículos

En los vehículos, es necesario para el funcionamiento del motor y la transmisión de potencia a las ruedas. El torque generado por el motor se transfiere a las ruedas, permitiendo que el automóvil se mueva. Los automóviles con motores de alto torque pueden arrancar y acelerar rápidamente, lo que es especialmente útil en autos deportivos y vehículos todo terreno.

2. Herramientas manuales y eléctricas

También es imprescindible en el funcionamiento de herramientas como llaves, destornilladores y taladros, ya que permite aplicar la fuerza necesaria para girar tornillos y tuercas.

En el caso de llaves y destornilladores, cuanto más largo es el mango de la herramienta, mayor torque se puede generar, facilitando el trabajo con menos esfuerzo. Por otro lado, los taladros eléctricos ajustan el torque en función del material que se perfora: materiales duros requieren un torque mayor a baja velocidad para evitar el sobrecalentamiento y el desgaste de las brocas, mientras que en materiales más blandos se puede aplicar un torque menor a alta velocidad para mejorar la eficiencia.

3. Puertas y bisagras

El torque se aplica cada vez que abrimos o cerramos una puerta. Es por ello, que la ubicación del picaporte lejos de las bisagras permite que, con menos fuerza, se genere un torque suficiente para abrir la puerta de manera fácil y eficiente. Este mismo principio se aplica en portones, ventanas y otras estructuras que giran sobre un eje.

4. Deportes y actividad física

En muchos deportes y actividades físicas, el torque está presente en la realización de movimientos específicos.

En ciclismo, por ejemplo, los ciclistas generan torque en las ruedas a través de los pedales y el plato, y la cantidad de torque depende de la fuerza aplicada y la longitud de las bielas; por eso, los ciclistas profesionales ajustan sus bicicletas para optimizar el torque y mejorar la eficiencia y velocidad.

Por otro lado, en gimnasia y en el levantamiento de pesas, los músculos aplican torque en las articulaciones para levantar y mover el peso, utilizando la biomecánica del cuerpo de manera efectiva para lograr movimientos potentes y precisos.

5. Turbinas y generación de energía

En turbinas eólicas y generadores hidráulicos, el torque se convierte en energía eléctrica. En una turbina eólica, las aspas giran por la fuerza del viento, generando un torque que se transfiere a un generador. La cantidad de energía producida depende del torque generado y de la velocidad a la que giran las aspas. Un torque alto es maximiza la eficiencia y la producción de energía en estas turbinas.

6. Sistemas de frenado

Los frenos aplican una fuerza en dirección opuesta al movimiento de las ruedas, generando un torque que reduce la velocidad y detiene el vehículo. Este principio se aplica tanto en frenos de disco como en frenos de tambor y se diseña para garantizar que el torque generado sea suficiente para detener el vehículo de manera segura.

7. Motores eléctricos y maquinaria industrial

Los motores eléctricos en fábricas y maquinaria pesada usan torque para realizar tareas específicas, como levantar objetos pesados, girar piezas en un torno o mover cintas transportadoras. En estos casos, el torque es ajustado mediante sistemas de control para asegurar que las máquinas funcionen con precisión y eficiencia, dependiendo de la carga y la velocidad requeridas.

8. Aplicaciones en aviación y navegación

En la aviación el torque permite controlar y mantener el movimiento de las aeronaves. Los motores de los aviones generan torque para propulsar las hélices o los turbofanes, proporcionando la fuerza necesaria para el despegue y el mantenimiento del vuelo. Además, los giroscopios utilizan torque para mantener la orientación de la aeronave, estabilizándola y proporcionando datos precisos sobre su posición y orientación, lo cual es crucial para la navegación y el pilotaje.