¿Se puede “capturar” el viento?

Por Rosalino Rodríguez y Daniel Barriga
Artículo de divulgación científica

Seguramente la mayoría de nosotros, cuando niños, hemos vivido la experiencia de sacar la mano por la ventanilla de un auto cuando éste estaba en movimiento, y esa acción nos enseñó un par de cosas: entre más rápido iba el auto, debíamos hacer un mayor esfuerzo para mantener nuestra mano en el mismo lugar, y que la posición de nuestra mano también tenía un efecto en el esfuerzo aplicado. También hemos visto que cuando hay mucho viento éste puede empujar objetos muy grandes hasta tirarlos, de manera que podemos concluir que el viento produce una fuerza, o bien, que posee energía.

Estas experiencias suelen despertar la curiosidad y nos llevan a observar, analizar y entender de qué manera se puede aprovechar la energía disponible en el viento. Así, uno puede preguntarse ¿cómo se puede “capturar” el viento?, aunque después de pensarlo un poco, se concluye que el viento no se puede atrapar, pero que sí es posible “capturar” su energía (energía eólica), eso que empujaba nuestra mano al jugar en el auto.

Por supuesto, para aprovechar la energía del viento se pueden construir dispositivos mecánicos, algunos sirven como juegos o adornos de jardín (rehiletes), o para realizar trabajo (molinos de viento, usados desde el siglo VII) o con propósitos comerciales, como los aerogeneradores, que partir de 1980 han tenido mucho auge como fuente de energía renovable.

Como sabemos, un aerogenerador es un dispositivo que, usando la energía del viento, produce un movimiento giratorio en las aspas y dicho movimiento se transfiere mecánicamente a un motor eléctrico, donde “se convierte” en la energía eléctrica que usamos en nuestros hogares.

Así, al pensar en movimiento circular, dispositivos mecánicos y diversos tipos de energía, es posible darse cuenta que para la construcción de un aerogenerador se requiere integrar conocimientos de diversas áreas: Física y Mecánica.

Algunas de las preguntas que podemos hacernos al pensar en aprovechar la energía eólica son ¿qué forma deben tener las aspas para capturar la mayor cantidad de energía?, ¿cómo la velocidad del viento influye en el funcionamiento del aerogenerador?, ¿hay otras cosas a tener en cuenta para que un aerogenerador funcione de manera óptima?

Podemos encontrar una gran variedad de aerogeneradores: de aspas horizontales (como un ventilador de pedestal, con diferentes tipos de aspas, largas, cortas, delgadas, anchas), modelos verticales (como los extractores de aire en las naves industriales), una espiral de Arquímedes (con la forma de un tornillo), etcétera. Y para el diseño de cualquiera de ellos se deben tomar en cuenta diferentes variables y conceptos físicos que explican y modelan la generación de la energía eléctrica, tales como el principio de Bernoulli, la temperatura, la velocidad y densidad del fluido, la energía, la potencia y la presión, principalmente.

Estos conceptos, por sí mismos, llegan a ser demasiado abstractos para la mayoría de los estudiantes, de manera que uno de los principales problemas en el proceso de aprendizaje es el desinterés por aprenderlos; además, no encuentran relación entre los contenidos del curso y su entorno, o bien, con el ámbito profesional.

Consideramos que la problemática descrita y que observamos en el curso de Física II, se solventa incorporando la construcción de micro aerogeneradores como motor del aprendizaje. Este proyecto consta de tres etapas principales: Investigación de aerogeneradores y selección de tres modelos; Diseño y construcción de los prototipos de producción de energía eficiente y sustentable; Caracterización de los prototipos construidos.

Aprovechan la energía del viento

Para validar la propuesta, se pidió a los estudiantes del curso de Física II, en equipos, diseñar, construir y caracterizar tres prototipos diferentes. Una vez que se tuvo certeza del funcionamiento del prototipo, se hicieron diversas mediciones variando las condiciones, por ejemplo, la velocidad del viento, para poder decidir cuál modelo resultaba más eficiente. Después del análisis de los datos, debieron seleccionar la mejor opción y construir una versión de mayor tamaño.

La experiencia didáctica fue percibida por los estudiantes como innovadora, interesante y muy relevante para su aprendizaje, ya que pudieron aplicar de manera práctica los contenidos abordados en el salón de clase, así como fortalecer la comprensión de los conceptos.

Los estudiantes realizaron un proceso complejo para tomar decisiones, y éstas se sustentaron en sus resultados; proceso que fortalece sus competencias profesionales ya que desarrollaron habilidades de trabajo en equipo para el diseño y puesta en marcha de dispositivos generadores de energía renovable y fortalecieron sus conocimientos sobre el tema.

De esta forma, los alumnos “capturan el viento” y transforman algunas de sus cualidades en electricidad mientras aprenden.

Los autores

Daniel Barriga Flores. Es Maestro en Educación Matemática, actualmente se desempeña como profesor de tiempo completo en el Tec de Monterrey, Campus Morelia, donde fue director del Departamento de Ciencias Básicas por más de ocho años. Ha diseñado e impartido diversos cursos de capacitación docente. dbarriga@tec.mx

Rosalino Rodríguez Calderón. Es doctor en Diseño Electrónico por el CINVESTAV-Guadalajara. Tiene más de 15 años de experiencia docente. Es líder y coordinador de proyectos de investigación aplicada, así como de proyectos de innovación educativa. Actualmente es profesor en el Tec de Monterrey, Campus Morelia. rosalino@tec.mx

¿Quieres saber más?

El artículo científico “Micro wind turbines to learn Physics”, publicado en IEEE e indizado en la base de datos Scopus, está disponible en el la siguiente liga: https://ieeexplore.ieee.org/document/8875755