Human power/es
El debate sobre el consumo energético en Estados Unidos suele centrarse en la dependencia del petróleo extranjero, la medida en que el consumo de combustibles fósiles contribuye al cambio climático global, etc. Sin duda, estos son problemas muy urgentes que deberán abordarse pronto, pero existe una segunda crisis energética que a menudo se pasa por alto. Mientras los países desarrollados consumen combustibles fósiles a un ritmo alarmante, casi 2 mil millones de la población mundial carece de electricidad y sigue dependiendo en gran medida de combustibles tradicionales como el estiércol, la madera y otras formas de biomasa. [ 1 ] Hasta la fecha, los esfuerzos para revertir esta tendencia se han centrado en un doble enfoque: primero, aumentar el acceso a formas de energía "modernas" de forma económica y responsable; y segundo, hacer que el uso actual de biocombustibles sea más seguro y sostenible. Si bien este es un enfoque útil, no es exhaustivo.
Durante siglos, se ha utilizado la fuerza humana y animal, y no debe ignorarse su importancia en una estrategia integral para abordar la crisis energética en los países en desarrollo. Se estima que en 2008, el ser humano produjo 1200 petajulios sin electricidad para fines laborales. ¡Esto representa más de 1,5 veces la energía eólica producida ese mismo año! [ 2 ] Gran parte de este esfuerzo se dedicó a tareas rutinarias y repetitivas que pueden hacerse más eficientes con máquinas impulsadas por el ser humano.
Historia
El uso de herramientas como una extensión del poder humano es mucho más antiguo que la historia registrada. La enciclopedia de juegos más antigua conocida en Europa, el Libro de Juegos, encargado por el rey Alfonso X de Castilla en 1283, muestra un torno de arco utilizado para tornear piezas de backgammon. Este tipo de dispositivo aún se utiliza hoy en día entre los artesanos de Marruecos.
Desde la Edad Media en adelante, se perfeccionaron los dispositivos que ahorraban mano de obra para su uso doméstico e industrial. Quizás la más importante de estas máquinas fue la desmotadora de algodón. La sencilla solución mecánica de Eli Whitney para la ardua tarea de procesar el algodón multiplicó por cincuenta la productividad. [ 4 ] En lugar de reducir la necesidad de mano de obra esclava en el sur de Estados Unidos, la desmotadora reafirmó la demanda de esclavos. Así, la desmotadora de algodón impulsada por humanos cambió inadvertidamente el curso de la historia.
A finales del siglo XIX se desarrolló la bicicleta. Durante las décadas siguientes, evolucionó desde poco más que una tabla con dos ruedas hasta el conocido cuadro de diamante que vemos hoy. Innumerables mejoras, incluyendo múltiples velocidades, han convertido a la bicicleta en el medio de transporte más eficiente. En particular, en los países en desarrollo, el coste de los combustibles fósiles ha exigido modelos de bicicleta únicos que equilibren la eficiencia con la carga de trabajo. [ 5 ] Debido a su importancia en la historia de la fuerza humana, la tecnología de la bicicleta ha sido el punto de partida de muchos esfuerzos para capitalizar el exceso de energía humana. En el mundo desarrollado, los gimnasios están empezando a aprovechar la energía de las bicicletas estáticas para sus necesidades eléctricas. [ 6 ]
En los últimos veinte años, se ha prestado cada vez más atención a la captación de energía humana mediante métodos menos convencionales. Por ejemplo, los cristales piezoeléctricos, que producen electricidad bajo tensión o compresión, son cada vez más económicos y menos frágiles. Aunque su producción eléctrica es muy pequeña, se espera que una serie de estos dispositivos pueda integrarse en la ropa para obtener la energía vibratoria de una persona y así alimentar dispositivos electrónicos móviles. [ 7 ] [ 8 ] Otra aplicación de estas tecnologías sería la integración de generadores en miniatura ubicados en las articulaciones de las rodillas para captar el exceso de energía. [ 9 ] Si bien estas innovaciones son ciertamente prometedoras, su coste es prohibitivo incluso para el mundo desarrollado en la actualidad.
Tipos
Potencia del pedal
La energía del pedal es el uso de la fuerza humana al pedalear para impulsar un dispositivo. Esto puede hacerse directamente mediante una conexión mecánica o generando electricidad que se utilizará para alimentarlo.
Potencia del cigüeñal
La manivela W es uno de los métodos más antiguos para convertir la fuerza humana en energía mecánica. Desde la invención del generador eléctrico , las manivelas también se utilizan para la generación de electricidad a pequeña escala .
Las bielas suelen accionarse manualmente. Es importante tener en cuenta que usar una biela puede cansarse rápidamente. Para muchas aplicaciones, la potencia del pedal (que utiliza los músculos más grandes de las piernas) puede ser una mejor opción.
Las manivelas siguen siendo a menudo una buena opción para molinillos mecánicos de pequeña escala (por ejemplo, molinillos de café), molineros, rodillos (por ejemplo, máquinas para pasta), desgranadoras y similares.
Algunas bombas de agua de pequeña escala también funcionan con manivela.
La maquinaria electrónica accionada manualmente (o con el pie) está volviendo poco a poco.
- https://www.appropedia.org/Guía_de_computadoras_de_bajo_costo#Potencia_de_manivela
- http://web.archive.org/web/20110911194312/http://www.treehugger.com:80/files/2006/05/sonys_handcrank_1.php
La palabra "manivela" también se utiliza para los vínculos mecánicos que convierten el movimiento lineal alternativo en movimiento rotatorio o viceversa.
Consideraciones de diseño
Cultura
La caricatura de la derecha apareció en la revista Punch de 1895. En ese momento de la historia europea y estadounidense, la cultura emergente del ciclismo trajo consigo cambios culturales, como la aceptación gradual del uso de pantalones por parte de las mujeres. En la caricatura, se establecen paralelismos entre el uso doméstico de las máquinas de coser a pedal y las bicicletas, para ilustrar el sentido de empoderamiento que la cultura ciclista brindó a las mujeres en la Gran Bretaña de principios de siglo.
En la era moderna, pueden existir obstáculos culturales similares a la aceptación social de una máquina de pedales. Por ejemplo, a las mujeres se les puede desalentar de sentarse a horcajadas sobre el sillín de una bicicleta. En tales casos, sería necesario rediseñar la máquina para una orientación reclinada. Si el trabajo no requiere mucha mano de obra, se puede sustituir la fuerza del pedal por una manivela, como en un motor de arranque manual. [ 11 ]
Como ejemplo de problemas culturales imprevistos con una tecnología, la Desgranadora Universal de Nueces tuvo gran éxito en las comunidades malienses para el descascarado de cacahuetes. Sin embargo, este éxito no se repitió en las comunidades ghanesas, que descascaraban nueces de karité como actividad comunitaria. [ 12 ]
Logística
Otra consideración antes de implementar una máquina impulsada por humanos es la capacidad de la comunidad para conseguir las piezas y la experiencia técnica necesaria tanto para construirla como para mantenerla en funcionamiento. Una pauta general sobre el potencial de la maquinaria impulsada por humanos es el uso de bicicletas. Si su uso está extendido, si las piezas son razonablemente fáciles de conseguir y si la reparación de las bicicletas se realiza localmente, entonces otras aplicaciones de la fuerza del pedal podrían ser viables. [ 13 ]
Además del apoyo local para la infraestructura de bicicletas, sería beneficioso tener acceso local a habilidades de carpintería o metalistería para la construcción del marco de la máquina.
Solicitud
La figura a continuación muestra la relación entre el Índice de Desarrollo Humano y el Consumo Base de Energía. La línea negra continua indica los países que se beneficiarán de la generación de energía eléctrica mediante dispositivos accionados por el hombre. Los países entre las líneas punteadas y continuas tienen una red eléctrica poco fiable o acceso limitado a la electricidad, pero también podrían beneficiarse de la electricidad generada por el hombre. Este principio puede ampliarse para incluir otras formas de utilizar la energía humana. [ 14 ]
Los trabajos que requieren energía humana son candidatos a la misma, ya sea por oscilaciones o por movimientos repetitivos. Por ello, muchos de los principios que fundamentan la construcción de dispositivos accionados por humanos se han aplicado a diversas áreas de necesidad, como una lavadora [ 15 ] , una auténtica fábrica de ladrillos accionada por humanos [ 16 ] y adaptaciones a infraestructuras existentes, como se muestra en la Figura 4.
Si bien muchos en el mundo desarrollado han abogado por la generación de energía eléctrica, [ 17 ] el desarrollo local de estas tecnologías ha sido limitado, por muchas de las razones mencionadas en la sección "Logística". Por ejemplo, los imanes de tierras raras y los LED que suelen incluirse con los generadores de energía eléctrica en los países en desarrollo no están disponibles localmente, son costosos y tienen pocas posibilidades de reparación. [ 18 ]
Teoría
La acción natural de pedalear una bicicleta, que esencialmente transforma el movimiento lineal en movimiento circular, crea una función de potencia oscilatoria como se ve en la Figura 2.
En el caso de una bicicleta móvil, este efecto se ve enmascarado por tres factores: la inercia proporcionada por el peso del ciclista; las pérdidas por fricción del equipo; y las fuerzas de arrastre del aire. Sin embargo, para ciclistas estacionarios (personas que operan máquinas impulsadas por humanos), este fenómeno se convierte en un factor importante a considerar en la entrega de potencia. Por ejemplo, para la molienda de granos, sería favorable proporcionar una potencia más o menos constante al molino, para facilitar una velocidad de alimentación uniforme a través de la máquina. Por esta razón, a menudo es prudente introducir un método para suavizar la potencia de salida del engranaje accionado. La forma más común de hacerlo es mediante un volante de inercia. Un volante de inercia es una masa giratoria utilizada en sistemas mecánicos para el almacenamiento de energía. Sustituye la masa inercial que proporciona el peso del ciclista en el ejemplo móvil.
Para un aro circular (imaginemos una rueda de bicicleta) de radio 'r' y masa 'm', el momento de inercia I, se define porIz=metroo2
Para un disco o cilindro sólido de radio 'r' y masa 'm', el momento de inercia I está dado porIz=metroo22
Además, la energía cinética de un volante está dada pormi=Iω22dóndeωes la velocidad angular del volante.
A primera vista, podemos observar que, para la misma masa, el aro tiene un momento de inercia dos veces mayor. Desde una perspectiva energética, en comparación con un cilindro sólido, el aro tarda el doble en alcanzar una velocidad constante, pero tarda el doble en desacelerar, en igualdad de condiciones. Sin embargo, la principal ventaja de un volante de inercia de disco sólido es su facilidad de fabricación.
Se han propuesto varios diseños para un método de suavizado de potencia que no requiere una masa giratoria. En particular, se ha sugerido un sistema de resorte alternativo y un circuito eléctrico que emplea un condensador de gran tamaño. [ 21 ] Estos sistemas buscan la portabilidad de las máquinas accionadas por humanos. Si bien el sistema mecánico sin masa no se ha generalizado, este último se ha utilizado en la generación de energía eléctrica, en aplicaciones que requieren una entrada de voltaje constante. [ 22 ] [ 23 ]
Para reducir la fatiga del ciclista, el momento de inercia del volante debe ser de aproximadamente 150 kg m^2 sec^-2, según lo determinado empíricamente por Wilson y Bloop. [ 24 ] [ 25 ]
Construcción
La construcción de una máquina impulsada por humanos puede realizarse desde cero o mediante la modificación de piezas existentes, como cuadros de bicicletas. Dado que los diseños son múltiples, dependen de la disponibilidad local de materiales, como madera o metal, y de las consideraciones de aplicación. Se muestran dos ejemplos de máquinas impulsadas por pedales: una máquina tándem propuesta y un dispositivo de pedaleo unipersonal de campo.
Difusión
Si bien el clima general para la maquinaria impulsada por humanos parece centrarse en llevar la energía al mundo desarrollado, existe un interés nacional por rescatar algunas de estas tecnologías anticuadas para uso doméstico. Por ejemplo, la licuadora Fender Blender ofrece una base accionada por pedales, inspirada en la estética de las bicicletas cruiser, para usar con una licuadora estándar. Además, todas las piezas de plástico de la máquina están hechas de plásticos reciclados. [ 28 ]
Un caso de éxito en la implementación de la fuerza humana, más allá del uso de pedales, es la bomba de pedal. Este tipo de bomba utiliza el peso del usuario junto con la fuerza de las piernas para accionar una bomba de succión con dos cámaras, una para cada pierna. Su bajo costo, alta aceptación social y mejores caudales de riego con menor fatiga del usuario la convierten en el estándar para comparar los diseños impulsados por el hombre. [ 29 ] [ 30 ]
Véase también
- Dispositivos impulsados por animales
- Lavar y secar la ropa
- Estación de bicicletas compartidas que devuelve energía a la red eléctrica principal [ 31 ]
Enlaces externos
- Pedal Power en CCAT
- Discusión sobre electrodomésticos accionados por humanos en bikeforums.net
- Green MicroGym: contiene las cintas de correr Human Dynamo y SportsArt EcoPowr
- MNM Power, otra empresa que fabrica productos de energía para pedales
- Los dispositivos MotorGym Co Ltd de Lucien Gambarota, utilizados por la empresa California Fitness en Hong Kong
- Molino ecológico Woodway
- Pedal-A-Watt, dispositivo para usar en bicicletas
Referencias
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- ↑ Fuller, RJ y L. Aye, Energía humana y animal: Las energías renovables olvidadas. Energías Renovables, 2012. 48(0): págs. 326-332.
- ↑ http://thomasguild.blogspot.com/2012/06/herramientas-de-carpinteria-en-el-libro-de-los.html
- ↑ Woods, Robert. "Un giro inesperado dio inicio a la Guerra Civil". Ingeniería Mecánica.
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- ↑ El concepto Hybrid2 de Chiyu Chen
| Autores | Rahayes , Aaron Antrim , KVDP |
|---|---|
| Licencia | CC-BY-SA-3.0 |
| Citar como | Rahayes , Aaron Antrim , KVDP (2006–2025). «Poder humano» . Appropedia . Consultado el 16 de agosto de 2025 . |
