¿Cómo funciona un volante de inercia para recuperar energía cinética?

by Guille on 11 junio, 2015
Un vistazo técnico a los sistemas KERS basados en volantes de inercia

Hay muchas maneras de crear un vehículo de propulsión híbrida, capaz de recuperar energía en las frenadas y aportarla luego cuando toca acelerar. Se pueden emplear motores eléctricos con los que captar la energía cinética a la hora de frenar, guardarla en baterías o condensadores, y luego aplicarla a la hora de acelerar. O se puede emplear un sistema mecánico para guardar esa energía cinética y aplicarla después.

El Nissan GT-R LM Nismo es el ejemplo más reciente de cómo se puede desarrollar un sistema puramente mecánico para cumplir las tareas de hibridar un coche sin meter la electricidad de por medio. Pero antes de meternos a valorar ventajas e inconvenientes de un sistema puramente mecánico, ¿cómo funciona un sistema de volante de inercia para estos casos? Hoy nos toca contártelo.

Y para realizar la explicación de manera eficiente, tiraremos de unas pocas matemáticas, muy sencillas en todo caso (no te asustes), donde trabajaremos con energías.

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Cojamos el Nissan GT-R LM Nismo de Lucas Ordoñez rodando por la recta de Le Mans antes de llegar a la chicane “Forza Motorsport”, justo donde está la trampa de velocidad. Ahí el GT-R LM Nismo alcanza 335 km/h.

En ese momento su energía cinética (que se mide como un medio de la masa multiplicada por la velocidad al cuadrado) es de (un medio de 880 kilogramos multiplicado por 93 metros por segundo al cuadrado) 3,805 MJ. Para pasar por la chicane, el coche tiene que reducir su velocidad hasta 105 km/h. Vamos, que el coche tiene que pasar a tener una energía cinética de (un medio de 880 kilogramos multiplicado por 29 metros por segundo al cuadrado) 0,37 MJ.

No hace falta que tengas un máster en físicas para darte cuenta de que el coche tiene que reducir su energía desde 3,805 MJ hasta 0,37 MJ. Vamos, que hay que disipar 3,435 MJ. Además, hay que hacerlo en muy poco tiempo y distancia (en la distancia de frenada más baja posible). Pero por el momento vamos a olvidarnos de cuánto tarda el coche en reducir su energía y cuántos metros le cuesta hacerlo, pues esos factores tienen que ver con la potencia de la frenada, y no con el aspecto que ahora mismo nos ocupa.

Para reducir la energía cinética del GT-R LM Nismo hay que emplear varios hechos físicos al mismo tiempo:

  • La fricción aerodinámica: Todo coche, por el mero hecho de frotarse contra el aire, se frena. Pierde energía cinética. Si levantas el pie del acelerador, el coche pierde velocidad, ¿verdad? Cuando un coche rueda a tanta velocidad y con tantos alerones como llevan los coches de Le Mans, se pierde mucha energía de esta manera, así que cuando Lucas levanta el pie derecho, parte de la energía del coche se pierde en mover el aire.

 

  • La fricción contra el suelo: El rozamiento de las ruedas contra el asfalto también supone una pérdida de energía. Esta energía se convierte en calor en el neumático y en el asfalto. Es una cantidad relativamente baja la que se pierde así, pero la podemos experimentar también en cualquier aparato a ruedas.

 

  • Los frenos: El sistema de frenado lo que hace es provocar la deceleración de las ruedas, que tratan de girar más lento de lo que están haciéndolo. De esta manera, la energía cinética del coche, que se convierte en energía cinética rotacional en las ruedas, se transforma a su vez en fricción entre el disco de freno y las pastillas, que a su vez se transforma en calor. En un intensísimo calor, de hecho. Este es, junto con la fricción aerodinámica, el mayor factor contribuyente a frenar el coche, y donde se disipa más energía.

 

  • El sistema de volante de inercia: Pero la diferencia con un coche convencional está en la aparición del volante de inercia. Como en el caso de los frenos, el principio que se utiliza para restar energía cinética con el volante de inercia es tratar de reducir la velocidad de giro de las ruedas mediante oponer resistencia al mismo. Lo bueno del sistema de volante de inercia es que, en lugar de convertir la energía de giro de las ruedas (y por ende, la energía cinética del vehículo) en calor, como hacen discos y pastillas, lo que hace es almacenar esa energía captada en un cuerpo en rotación.

 

El reglamento de Le Mans, descrito por el ACO, permite recuperar hasta 8 MJ de energía en cada vuelta y almacenarlos para emplearlos después en aceleración. Como ves, sólo en la primera frenada ya entran en juego 3,435 MJ, por lo que, como te puedes imaginar, en un circuito con tantas frenadas desde alta velocidad como Le Mans, es “fácil” llegar a esa cifra de 8 MJ.

El problema es que, por más que se quiera, no toda la energía de cada frenada se puede “guardar” en el sistema de volante de inercia. Como te decía más arriba, además del sistema de volante de inercia, hay otros tres apartados que entran en juego. Dos son fijos (la fricción con el aire y la fricción contra el suelo) y no podemos modificarlos en gran medida para reutilizar la energía que se pierde en ellos.

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Los frenos se siguen poniendo al rojo, aunque estén apoyados por el KERS

En cambio, la pareja de frenos-volante de inercia sí que puede conjugarse. La idea es tratar de emplear el volante de inercia para reducir la velocidad del vehículo lo máximo posible, y emplear los frenos sólo como apoyo extra, ya que la energía que restamos al vehículo en frenada mediante los frenos no podremos emplearla después.

¿Cómo almacena energía el volante de inercia?

Pero, ¿cómo capta energía el volante de inercia? ¿hasta qué volumen de energía podemos captar con él? Esos son dos aspectos clave en todo este embrollo.

El funcionamiento del volante de inercia es bastante sencillo. Básicamente se trata de un volante fabricado en fibra de carbono y algo de metal, que pesar alrededor de 8,5 kilogramos, y gira alrededor de su eje.

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Volante de inercia en fibra de carbono Flybrid de Torotrak

Aquí entra otro aspecto de la física en juego. De la misma manera que un cuerpo que se mueve a una velocidad tiene una energía, cuando un cuerpo gira sobre un eje, también tiene una energía, que se conoce como energía cinética rotacional.

Esta es la energía que hace que cuando un cuerpo empieza a girar sobre si mismo, quiera permanecer girando permanentemente a no ser que se le elimine esta energía.

Imagínate la rueda de una moto o de una bici girando libremente. Imagínate que quieres pararla cogiéndola con las manos. Si aplicas tus manos en el neumático para frenarla, te quemarás. Ese calor que llega a tus manos es energía cinética rotacional de la rueda, que se ha transformado en fricción en tus manos, y a su vez, se ha transformado en calor. ¿Lo pillas?

Pues básicamente ese es el principio de la energía cinética rotacional. Dentro del cuerpo del sistema de volante de inercia tenemos girando ese cilindro de fibra de carbono. ¿Cuánta energía puede almacenar? Pues esto depende de la velocidad a la que lo podamos hacer girar, y del momento polar de inercia del volante.

Del momento polar de inercia ya te hablé en su día para otra cosa, pero básicamente es la cifra que nos indica la tendencia de un cuerpo a seguir girando alrededor de un eje. Cuanto más lejos tiene la masa del eje, el volante tiene más “momento polar de inercia”, y por tanto, guarda más energía en su rotación. Por esta razón, los volantes de inercia se diseñan con casi todo su peso concentrado en la parte exterior del cilindro.

Básicamente, la cantidad de energía que se puede almacenar es el resultado de la multiplicación del momento polar de inercia por la velocidad de rotación máxima que podemos darle al volante de inercia sin que se rompa, dividido entre dos.

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Sistema de doble volante de inercia paralelo Torotrak Flybrid para el GT-R LM Nismo de Nissan

En el caso de Nissan GT-R LM Nismo, se emplean dos volantes de inercia paralelos de Torotrak. Cada uno de ellos tiene una masa de 8,5 kilos, capaz de girar a 65.000 revoluciones por minuto. Dadas las características del sistema, Torotrak dice que el sistema es capaz de almacenar hasta 400 kJ de energía por cada volante de inercia. Si multiplicas por dos (ya que tienes dos volantes de inercia funcionando) tienes un total de 800 kJ de capacidad de almacenamiento. Por lo que hemos podido saber, Nissan ha intentado llevar más allá este sistema, y contar con hasta 1.200 kJ (1,2 MJ) en esta pareja de volantes de inercia, pero es en eso en lo que ha habido problemas de fiabilidad.

¿Cómo capta energía durante la frenada el volante de inercia?

Bueno, ya sabes, por lo que te he explicado aquí arriba, cuál es la manera de almacenar energía por parte del volante. Pero, ¿cómo se capta la energía de las ruedas? Pues es bien sencillo.

Cuando Lucas pisa el freno, el volante de inercia en ese momento está quieto. Se asocia mediante una serie de engranajes y embragues a las ruedas delanteras. Las ruedas delanteras intentan hacer girar al volante de inercia y lo van acelerando progresivamente. Cuanto más aceleran al volante de inercia, más velocidad de rotación se elimina de las ruedas, y por tanto, más lento va el coche. Vamos, que se frena el coche a base de acelerar el volante de inercia.

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De esta manera, el coche puede eliminar de su energía hasta 1,2 MJ durante la frenada, transformada toda ella en energía cinética almacenada en los volantes de inercia, que se encuentran en ese momento girando a 65.000 revoluciones por minuto.

Tal y como te habíamos dicho arriba, para pasar al GT-R LM Nismo desde 335 por hora hasta los 105 por hora hay que eliminar 3,435 MJ, así que cómo sólo 1,2 se almacenan en el volante de inercia, el resto (2,235 MJ) han de ser disipados por los frenos y la fricción del aire y del suelo. Ahí entran en juego los frenos.

Uno de los grandes problemas de estos coches es combinar magistralmente, mediante controles electrónicos, qué parte del trabajo de frenada hacen los discos de freno, y qué parte se transfiere al volante de inercia, y al mismo tiempo hacer todo de manera que el coche frene de manera predecible para el piloto, es decir, que frene siempre lo mismo y con el mismo recorrido de pedal, que no haya notables diferencias y tactos extraños que compliquen la vida a pilotos como Lucas. Realmente esta es una de las partes más complicadas del sistema.

¿Pero cuánto tiempo puede almacenar la energía el volante de inercia?

Pero a estas alturas estarás pensando… ¿cuánto dura girando el volante de inercia? Si alguna vez le has dado fuerza a una rueda de bici para que gire libremente, habrás observado que más pronto que tarde se acaba parando, ¿verdad? Se para por dos factores principalmente. Uno es el rozamiento con el aire, y el otro es el rozamiento de sus rodamientos (la fricción que tiene al girar sobre ella, vamos).

La fricción de los rodamientos es algo que no se puede eliminar del todo nunca, pero los sistemas de volante de inercia como el Flybrid de Torotrak que usa Nissan emplea un sistema de rodamientos especiales, muy bien lubricados que reduce muchísimo la fricción hasta situarla en valores despreciables.

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Pero el gran desafío es la fricción con el aire, más a velocidades de rotación de 65.000 revoluciones por minuto (¡da más de mil vueltas en un segundo!). A esas velocidades, la parte más externa del cilindro viaja a una velocidad lineal equivalente a la del sonido en el aire convencional. Si se permitiera la fricción con el aire a esas velocidades, la fibra de carbono se fundiría por la mera fricción con dicho aire.

Lo que hace Torotrack es almacenar el volante de inercia en un cilindro estanco al que se le ha eliminado el aire. Al estar en prácticamente el vacío, el volante de inercia no sufre la deceleración del aire, por lo que la energía se puede almacenar durante minutos sin que el volante se decelere prácticamente, aunque a la larga se acabaría parando por la fricción de los rodamientos.

¿Y a la hora de acelerar?

Una vez superada la chicane, cuando Lucas pisa el pedal del acelerador a fondo, lo que el coche va a intentar es recuperar la energía cinética hasta ponerse a más de 300 por hora otra vez. Una parte de esa energía cinética se ganará del motor de combustión, que a base de quemar gasolina produce energía que es transferida a las ruedas, y que a su vez va acelerando poco a poco al coche y haciéndole ganar energía.

Pero por otra parte, cuando Lucas pisa el pedal, la electrónica de control del volante de inercia lo que hace es reacoplar engranajes y embragues internos del sistema de volante de inercia, para asociarlo a las ruedas delanteras. Lo que ahora se hace es transferir esos 1,2 MJ almacenados en la pareja de volantes de inercia y redirigirlos a las ruedas para hacerlas ganar velocidad rotacional, y por ende, hacer ganar energía al coche.

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Este extra de energía de aceleración “sale gratis”, en tanto en cuanto se ha conseguido en la frenada, y de otra manera se habría desprendido en forma de calor en los frenos, y se puede ahorrar en consumo de combustible. De hecho, estamos re-aprovechando hasta el 30% de la energía de las frenadas, lo que supone una reducción instantánea de consumo.

En función de la velocidad a la que el sistema de volante de inercia es capaz de transferir la energía almacenada a las ruedas, se deriva la cantidad de potencia que es capaz de entregar. La idea original de Nissan era contar con un sistema de múltiples volantes de inercia capaz de descargar de golpe la energía acumulada hasta llegar casi a los 2.000 caballos, pero la realidad de las limitaciones físicas del sistema actual han hecho que, por el momento, el sistema esté en 600 caballos y 1,2 MJ de potencia, como te contábamos antes.

¿Problemáticas?

Puede que pienses que, visto lo visto, el sistema de volante de inercia parezca mucho más sencillo y lógico que uno eléctrico de baterías o condensadores, y en cierto modo así lo es.

Es un sistema energéticamente más eficiente (te ahorras convertir energía cinética en electricidad, y luego la electricidad en energía cinética de nuevo), lo que hace que se aproveche mejor la energía captada. Pesa y ocupa menos volumen que un sistema de almacenamiento energético a baterías o condensadores de capacidad equivalente, y a la hora de manipularlo no tiene riesgos como descargas de alta tensión.

Otra de las ventajas es que es un sistema que no se deteriora con el paso del tiempo al ritmo que lo hacen unas baterías o un condensador.

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Gran parte de los problemas del desarrollo del GT-R LM Nismo han tenido su origen en el reglaje fino del sistema de volante de inercia

Pero las pegas vienen de otros frentes. Como te hemos dicho antes, cuando el coche empieza a frenar, el volante estará prácticamente parado, e irá acelerándose. A la hora de acelerar, el volante tendrá una velocidad alta de giro y tendrá que ir desacelerándose para transferir velocidad a las ruedas.

Ese gradiente, esa diferencia de velocidad de giro entre ruedas y volante de inercia se permite gracias a una caja reductora de velocidades conformada por un variador. Dicho variador ha de ajustarse permanentemente para permitir que el proceso de aceleración o deceleración sea consistente, y para más INRI, ha de trabajar en paralelo a un segundo variador con un segundo volante de inercia. Vamos, que hay una orgía de engranajes girando en el interior del dispositivo, y todos tienen que ponerse de acuerdo, como en un reloj suizo, con extrema precisión, gobernados por una electrónica que, además, ha de ser capaz de determinar cuánto par pueden soportar las ruedas delanteras sin perder tracción o bloquearse, y cuáles son las demandas del piloto en aceleración o frenada.

Es este último aspecto, el de poner todos los mecanismos a trabajar coordinadamente, al mismo tiempo y de manera organizada, el que realmente genera los problemas. De hecho, es este aspecto el que Nissan tiene todavía que pulir con Torotrak. De los problemas de ajuste de estos engranajes y sistemas surgen los problemas de Nissan para poder recoger y emplear 8 MJ por vuelta en Le Mans, y son la razón por la que, por el momento, se ha prescindido de emplear el eje trasero como motriz, y se ha decidido contar con una estrategia más conservadora en lo energético.

Ahora bien, cuando Torotrak y Nissan logren hacer funcionar al dispositivo tal y como dice la teoría, ajustando sus parámetros, estaremos ante el sistema más eficiente dadas las normativas actuales del ACO para Le Mans. Y entonces puede que nos sorprendamos con sus resultados.

 
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End of the line!
  • Jose Escanilla

    Gracias por la explicación Guille, la verdad es que una vez que lo ves parece engañosamente sencillo.

    Por cierto, desde que existe el garaje 56 y estas cosas, me acuerdo mucho del Chrysler Patriot de 1993 http://www.allpar.com/model/patriot.html , en su momento me pareció algo de otro mundo…que se quedó en nada precisamente por los problemas con el volante de inercia. Sería bonito que le dedicases una entrada algún dá ¿no?

    • Guille Garcia Alfonsin

      Pues sí, sería digno de ser cubierto. Aquel proyecto murió por pecar de ingeniería ambiciosa cuando el nivel de la técnica no estaba a la altura de poner todo eso “en orden”… Veremos si ahora, en 2015, el estado de la técnica permite solucionar todos los problemas a Nissan de cara a 2016 😉

  • naxop

    Buena explicación para los que no tenemos ni idea de estas cosas. Me surgen algunas dudas, no obstante:

    1) aparte de su función para recuperar energía, tienen alguna otra función digamos que mecánica?
    2) Es lo mismo o parecido que el famoso volante bimasa?
    3) Existen coches de calle con esta tecnología de recuperación de energía?

    • Guille Garcia Alfonsin

      1. No, no sirve para otra cosa.

      2. No. Pero sí. Me explico: Lo que tu denominas volante bimasa, es el volante de inercia del motor. Es también un volante de inercia, por tanto, pero el que tu dices se coloca anclado al cigüeñal del motor, para crear inercia en el giro, eliminar las “pulsaciones” y vibraciones del motor, y darle inercia en el giro para facilitar el arranque y mantener el motor a régimen al ralentí. ¿Es lo mismo? No. ¿Es parecido? Se parece en que ambos son volantes de inercia, pero nada más 😉

      3. Volvo tiene un prototipo con un sistema Flybrid de Torotrak con el que jugueteó varias veces con la idea de comercializarlo. Jaguar también jugueteó con la idea, colaborando con Lotus y Torotrak. Pero hoy por hoy, este sistema no está a la venta en ningún coche de producción. Se espera que en autobuses y camiones llegue más pronto que tarde. En coches “convencionales”… no sé si llegará. Tendría sentido, puesto que es más económico, fiable y sencillo de integrar en una caja de cambios que un sistema híbrido de baterías. Por ejemplo, asociado a un pequeño motor de dos cilindros, como el TwinAir de Fiat, podría ser una gran solución.

      • naxop

        Muchísimas gracias por tus respuestas, Guille.

  • F(Clemente)1

    Gran artículo, como dicen un compañero en un comentario anterior, parece engañosamente fácil así explicado. Parece que tiene muchas ventajas, se aprovecha muy bien la energía y en teoría parece más fiable que los otros modelos híbridos de la categoría, además que como dice en el artículo, no hay desgaste de la capacidad de baterías, pero aun así tiene muchos problemas. A ver si los arreglan pronto, y se puede sacar algo en claro para los modelos de calle. Muy atento a Nissan a partir de ahora

  • nuevoenesto

    Super interesante. ¿Por qué en el colegio no explicaban las cosas así? Dan ganas de ponerse a estudiar ingeniería.

  • Kaanere

    Gracias por la explicación!
    Tenia una idea aproximada de como era, pero siempre viene bien una explicación detallada!
    Y otra cosa, podrias explicarnos como funcionan los sistemas que reparten el par entre los ejes delantero y trasero?

  • Alex

    Guille, te juro y perjuro que esta misma tarde te iba a enviar un tuit para pedirte esto xDD llevo pensando en qué era exactamente desde que nos “destripaste” el Nissan : D

    ya hasta te adelantas a las dudas que tenemos! que máquina

  • Ander Arribillaga

    gran-de. gracias por estos artículos. nunca me cansaré de darlas.
    sabía más o menos lo que eran (me lo imaginaba), pero esta explicación me quita cualquier duda que tuviera. gracias.

  • Iker

    Me encantan estos artículos técnicos, estudio ingeniería y esto me apasiona, eso si, no me gustaría ponerme a diseñar tooooooooodos esos maravillosos engranajes y ponerlos a trabajar a la vez. Eso si que tiene que ser una orgía de ecuaciones

  • AntiSpy

    No me queda mas que felicitar al autor del artículo. Muy bien redactado y explicado.
    Gracias pistonudos y Guille.

    PD: he leído u oído de cojinetes magnéticos, gracias a la repulsión de polos magnéticos , un eje puede girar , si aplican esta tecnología en el eje del volante de inercia , mas energía sin perdidas podría almacenar.

  • Jorge

    Enhorabuena por el artículo, me surge una duda. Es fácilmente comprobable con estos coches de juguete que llevan un volante de inercia para mantener su movimiento, esos que les das mucho para delante y acaban haciendo ruido de motorcillo revolucionado. Eso sería un KERS no desconectable en miniatura, de crío me fascinaban los que salían en los Huevos Kinder, ahora ya no se destilan estos cochecitos porque tienen piezas demasiado pequeñas, yo en cualquier caso solo me comía el chocolate. Al tema:

    En la especialidad de estática, dinámica y cinemática de máquinas de la universidad estudié y si estoy equivocado por favor corrígeme que en el caso de que los volantes se encuentren girando a su máximo régimen de giro (por eso de ir a la situación más desfavorable) dependiendo de su orientación en el chasis del vehículo respecto del eje longitudinal cuando el coche vaya a girar, ¿no se producirá un comportamiento no deseado del coche (mas adelante aparecerá en forma de Momento angular M)? es decir que harían de giroscopio dentro del coche y cito wikipedia:

    “Cuando se aplica un momento a un cuerpo en rotación cuyo momento angulares , y siempre que no sea colineal con el momento angular original , la dirección del eje de rotación del cuerpo se anima de un movimiento de rotación de velocidad angular. Esta velocidad angular, llamada velocidad de precesión, está relacionada con el momento y el momento angular por la fórmula: ” donde L sería nuestro volante de inercia a w=65000rpms, I su modulo de Inercia de donde se desprende que el coche quedaría sometido a un momento angular cuando sus volantes de inercia estuviesen girando y ademas el coche girase en alguno de sus ejes, lo más grave sería al afrontar curvas, según lo anterior.

    Un saludo.

    • Jorge

      Perdón, se perdieron las fórmulas al subir el comentario M = (omega) velocidad angular x L (momento angular) y L = I (momento de inercia x w (velocidad angular de volante de inercia)

    • Guille Garcia Alfonsin

      Efectivamente: Los volantes de inercia generan un efecto de precisión giroscópica que genera cierta resistencia al giro del coche. En las motocicletas dicho efecto de precesión giroscópica ayuda a mantenerlas “derechas”, y por eso marcas como Yamaha empezaron a usar motores que giraban “al revés” en MotoGP para facilitar que la moto se pudiera tumbar más fácilmente.

      En el Nissan GT-R LM Nismo los volantes de inercia giran en ejes paralelos al eje longitudinal del vehículo, y en direcciones contrarias, por lo que sus efectos giroscópicos se anulan en parte. En cualquier caso, su precesión y sus efectos respecto al vehículo afectarían al ángulo de balanceo lateral, y no a la resistencia del coche a la hora de tomar curvas o cabecear 😉

      En cualquier caso, era meternos en demasiadas complejidades para el objeto didáctico del reportaje, pero es un tema que me apunto para tratar con mayor profundidad más adelante 😉

      • Jorge

        Los famosos CrossPlane de Yamaha, a lo que me refería es si sabías si era una magnitud asumible o despreciable, dado que habías echado cuentas para tan elaborado artículo.

        Te agradezco la cercanía en cualquier caso.

        Un saludo.

        • Guille Garcia Alfonsin

          Es despreciable, especialmente porque sólo afecta al eje longitudinal, y se cancela en gran medida al ser dos volantes contrarotantes.

          Pero seguro que si has montado en un coche con motor longitudinal, habrás notado al acelerar en vacío como el coche se inclina hacia un lado. pues es lo mismo, jejeje, pero aquí está más anulado y es menor el resultado.

          Le intentaré preguntar a Bowlby a ver si tiene la cifra, pero depende de la distancia del eje longitudinal el eje de cada uno de los volantes de inercia, y ese dato no lo tengo…

  • Batman

    Buen articulo y fotos muy chulas. Solo un comentario. La energía que almacena el volante de inercia es proporcional al momento de inercia (ok) y al CUADRADO de la velocidad angular. De ahí que busquen velocidades angulares elevadísimas más que aumentar el momento de inercia (por otro lado en automoción aumentar el momento de inercia no es tampoco buena cosa, porque supone como bien dices aumentar la masa y el radio).
    Saludos

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