Así apareció la rueda por primera vez en la historia

La rueda está considerada uno de los mejores inventos de la humanidad. De hecho, es casi imposible imaginarse el mundo sin ella. Pero, ¿qué sabemos de ella? La Real Academia Española de la lengua la define así:

1. f. Pieza mecánica en forma de disco que gira alrededor de un eje.

La más antigua de la que se había encontrado evidencia era la que usaban los ceramistas en la antigua Mesopotamia por los años 3.500 a.C.

Según estos datos, la rueda es un invento bastante reciente, y digo esto porque por aquel entonces llevábamos miles de años cultivando y habíamos creado grandes sistemas económicos, religiosos, sociales y grandes sociedades complejas. Pero, ¿por qué tardó tanto en aparecer la rueda? La mayoría de los expertos coinciden en que se debe a que en la naturaleza no encontramos ruedas; es por ello por lo que se considera uno de los grandes inventos del ser humano.

Las primeras ruedas se usaron para la cerámica, eran los conocidos tornos que se movían con las manos o los pies de los alfareros.

No tardaron mucho en utilizar los tornos de los alfareros como volante de inercia, de manera que la energía que se acumulaba al trabajar la masa en el torno era apoyada por una piedra para acelerar el proceso. Pero aún faltaban años para poder mejorar esa idea y terminar extrapolándola a un vehículo.

El siguiente paso era dejar las ruedas lo más lisas posible para que pudieran rotar sin fricción. Además, el eje tenía que ajustarse bien para evitar que las ruedas se tambalearan. Otras de las cosas a tener en cuenta era el tamaño del eje: no podía ser muy grueso porque generaba mucha fricción, ni muy delgado ya que se partía.

El primer vehículo estaba preparado para transportar cargas pesadas en apenas un metro de ancho. El sistema era tan delicado que los expertos señalan que la estructura se hizo toda de una vez, sin fases. No sabemos (ni sabremos) quién la hizo por primera vez, pero lo que sí tienen claro los arqueólogos es que se comenzó a usar en Eurasia y Oriente Medio.

 La fecha de aparición de la primera rueda se basa en evidencias arqueológicas que datan del año 3400 a.C., con imágenes bidimensionales de carrozas y carretas, modelos tridimensionales de carretas y partes de ruedas y ejes de madera preservados. En concreto, las imágenes decoran un recipiente de cerámica que data del año 3500-3350 a.C. y que proviene de la cultura Trichterbecker, situada en la zona de Polonia, Alemania oriental y el sur de Dinamarca. Las imágenes encontradas en la zona europea se juegan el título de cuna de la rueda con la antigua Mesopotamia, ubicada en la región de Irak.

Fuente:

Muhimu

Soluciones para el mal estado de las ruedas del Curiosity y nuestro futuro en Marte

• Las ruedas del rover se deterioran a un ritmo muy superior al previsto
• La NASA ha identificado el origen del problema y estrategias para minimizarlo
• Lo aprendido se aplicará en el rover que la NASA quiere enviar en 2020 a Marte

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Imagen facilitada por la NASA del rover Curiosity en Marte.AFP

A principios de este mes el rover Curiosity de la NASA cumplía dos años explorando la superficie de Marte, dos años en los que todos los sistemas de a bordo han funcionado tan bien o mejor de lo que se esperaba, salvo las ruedas del vehículo.

Detectado por primera vez en las imágenes recibidas del sol –del día marciano– 411 de la misión, las ruedas, fabricadas fresando bloques de aluminio hasta dejarlos en un grosor de 0,75 milímetros, estaban acumulando pinchazos, rajas y desgarros a un ritmo preocupante, daños que amenazan la movilidad del vehículo, y que además resultaban tanto más preocupantes cuando en principio los responsables de la misión no sabían por qué las ruedas estaban resultando dañadas a tal velocidad, mucho mayor de la prevista.

Pero afortunadamente, tras muchas pruebas, los técnicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro consiguieron averiguar qué es lo que causa estos daños y, lo que es más importante, diseñar estrategias para mitigarlo una vez entendida la causa del problema.

Rocas y sistema de supensión

Esta parece radicar en la presencia de numerosas rocas puntiagudas en la zona por la que estaba circulando Curiosity que no se desplazan al pasar este por encima, a diferencia de lo que ocurría en las zonas en las que circularon otros rover de la NASA, en las que las rocas se apartaban bajo el peso de estos.

La presencia de estas rocas resulta además más dañina para las ruedas de Curiosity de lo previsto porque aunque estas están pensadas para resistir los efectos de este tipo de rocas siempre que el peso del vehículo esté repartido entre todas resulta que el diseño del sistema de suspensión hace que en algunas circunstancias cuando el rover pasa por encima de una de estas rocas puntiagudas todo el peso del vehículo pueda pasar a descansar sobre la rueda que está pasando sobre esta, lo que prácticamente asegura que se produzca una perforación.



Pero la buena noticia, como decía antes, es que una vez identificado el origen del problema, los responsables de la misión han podido diseñar varias estrategias para mitigarlo.

Mitigando el problema

Una de ellas es programar a Curiosity para que cuando se mueva evite este tipo de rocas, aunque esto solo sirve para cuando se programan desplazamientos cortos, ya que solo es posible apreciar la presencia de estas rocas hasta una distancia de 10 o 20 metros en las imágenes que envía el rover; es el tipo de estrategia que se usa cuando Curiosity tiene que pasar sí o sí por terreno «peliagudo.

Otra es conducir marcha atrás, ya que, de nuevo en virtud del diseño del sistema se suspensión del rover, cuando circula marcha atrás las fuerzas que se ejercen sobre las ruedas son mucho menores. A cambio, cuando Curiosity se mueve marcha atrás al final tiene que girar 180 grados en el punto en el que se para para poder mirar hacia delante con las cámaras y programar el siguiente desplazamiento, lo que añade unos seis metros extra de desplazamiento a las ruedas sin que Curiosity realmente se mueva del sitio; se usa más para cuando se hacen desplazamientos largos «a ciegas» por terrenos en principio menos complicados.

También se están planificando las rutas a largo plazo sobre terreno más amigable usando tanto imágenes y datos obtenidos por los instrumentos de a bordo como imágenes y datos obtenidos de las sondas que hay en órbita alrededor de Marte.

Una última opción es una actualización del software de a bordo que debería permitir a Curiosity manejar las ruedas de forma más inteligente, de tal forma que si nota que una está experimentando demasiada oposición al movimiento podría dejarla girar libre o ejerciendo menos fuerza sobre ella, aunque esta modificación del software aún tiene que ser probada y aprobada.

Lecciones aprendidas

A largo plazo, lo aprendido con Curiosity servirá para el rover que la NASA quiere enviar a Marte en 2020, basado en el diseño de este.
No está claro qué modificaciones se harán en sus ruedas, porque por ejemplo hacerlas tan solo un milímetro más gruesas añadiría un total de 10 kilos al peso del rover, peso que se pierde en instrumentos científicos y que también afecta al sistema de aterrizaje de este.
Pero para Curiosity la suerte ya está echada, y aunque no quede más remedio que circular más lento, no parece que a la larga, una vez detectado el origen del problema, esto vaya a afectar seriamente a la misión.

Tomado de:

RTVE

Física: La rueda y el suelo

¿A qué velocidad se mueve la rueda de un vehículo con respecto al suelo? A algunos alumnos de ingeniería les extraña el hecho de que haya puntos de la rueda que estén estáticos (quietos), así que creo que merece la pena dedicarle al tema esta entrada.

Primero, veamos un vídeo a cámara lenta de una rueda en contacto con el suelo. En este caso, de un tren de aterrizaje justo tras tocar tierra:

Vemos claramente dos fases:

1. Rodadura con deslizamiento: la rueda rota y se arrastra sobre el suelo, a la vez. Vamos, lo que llamamos derrapar.
2. Rodadura pura: es el modo de rodar para el que están diseñadas las ruedas, engranajes, etc. No existe derrape, y la distancia recorrida en una vuelta completa coincide con la longitud de la circunferencia de contacto de la rueda con el suelo.

Es dentro de ese modo normal de funcionar, la de rodadura pura, donde ocurre que la velocidad relativa de algunos puntos de la rueda con respecto al suelo es de exactamente cero. Para quienes no se lo crean, aquí van un par de demostraciones.

1. Demostración matemática

Imagina una rueda girando libremente alrededor de su eje, a una velocidad angular constante de ω. Fijémonos en el punto de la circunferencia que queda en el extremo derecho y veamos cómo se mueve tras un tiempo Δt:

Hemos marcado como L la distancia que ha recorrido, siguiendo un arco de circunferencia de ángulo θ. Ese ángulo claramente será θ = ω Δt, ya que la rueda gira a velocidad constante. Por otro lado, si la rueda tiene un radio de R, la longitud del arco vale L = R · θ.

De estas expresiones podemos calcular fácilmente la velocidad lineal (v) a la que se mueve ese punto (o cualquier otro) de la cara externa de la rueda, ya que:

\begin{array}{rcl}L&=&v\Delta t \rightarrow v = \frac{L}{\Delta t} \\ L &=& R \theta = R \omega \Delta t \rightarrow \frac{L}{\Delta t} = R \omega \end{array}

\longrightarrow v = R \omega

Conocido el módulo, sólo queda definir la dirección del vector velocidad en cada punto. Es fácil ver que esta será tangencial a la circunferencia en cada punto, y en el sentido del giro de la rueda. Por ejemplo, para los puntos inferior y superior tenemos:

Pues bien: estas velocidades son las de los puntos del exterior de la rueda, con respecto al centro de la rueda. Son, como todas las velocidades en mecánica clásica, relativas a un sistema de referencia dado, que hay que especificar.

Cojamos ahora esa misma rueda, aún girando, y coloquémosla sobre un suelo sobre el que va a rodar sin deslizamiento. Esta condición implica, necesariamente, que el centro de la rueda se mueva a una velocidad de v = R  ω en relación al suelo:

Finalmente, para averiguar la velocidad de un punto de la rueda con respecto al suelo (V_c.r.suelo) hay que componer vectorialmente su velocidad relativa con respecto a la rueda (V_relativa) con la de la rueda con respecto al suelo (V_rueda):

\vec{\mathbf{V}}_{c.r.suelo}=\vec{\mathbf{V}}_{rueda}+\vec{\mathbf{V}}_{relativa}

Fijándonos en el punto inferior de la rueda en la figura, vemos que ambas componentes tienen sentidos opuestos, por lo que la velocidad relativa final se convierte en una resta:

V_{c.r.suelo}=V_{rueda}-V_{relativa}=\underbrace{v}_{R\omega}-R\omega=0

Con lo que se demuestra que el punto de la rueda que en cada momento esté en contacto con el suelo está instantáneamente estático con respecto a éste.

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Ciencia Explicada