Un motor de cera es una máquina simple que transforma el calor en movimiento. Coloque un bloque sellado de cera dentro de un cilindro de metal, agregue una varilla que se mueve cuando la cera se expande, y tendrá un dispositivo que empuja cuando está caliente y se retrae cuando está frío. El principio es antiguo — la cera se expande cuando se derrite — pero la versión moderna está lejos de ser una novedad.
La ciencia detrás de esto merece un análisis más detallado. La idea principal es sencilla: caliente la cera, y se hará más grande. Enfríela, y se encogerá. La diferencia de tamaño mueve una varilla, que realiza el trabajo.
Cómo funcionan los motores de cera
La cera en sí es la estrella del espectáculo. La mayoría de los motores de cera utilizan parafina, un hidrocarburo de cadena lineal que se derrite dentro de un rango de temperatura estrecho y definido. Cuando se enciende la fuente de calor, la cera absorbe energía, se expande y fuerza la varilla hacia adelante. Cuando se corta el calor, la cera se enfría, se contrae y la varilla regresa.
El material de origen cita a Freund et al. 1982, quienes notaron que la cera típicamente se expande entre un 5 y un 20% durante el derretimiento. Esa pequeña cantidad de crecimiento es suficiente para empujar una varilla con una fuerza sorprendente. La fuerza proviene de la expansión en sí, no de ninguna pieza móvil dentro del motor.
La fuente de calor puede ser casi cualquier cosa. La electricidad es común — un termistor PTC es una opción popular. La radiación solar, el calor de combustión de un motor o incluso el calor ambiente también pueden hacer el trabajo. El sumidero que elimina el calor puede ser una convección hacia el aire más fresco, un dispositivo Peltier que aleja el calor o simplemente dejar que la cera se enfríe de forma natural.
La varilla rara vez se retrae por sí sola. Los sellos alrededor del cilindro mantienen la cera líquida en su lugar, y superar esa fricción requiere una fuerza adicional. El material de origen cita a Duerig 1990, quien descubrió que la fuerza de sesgo necesaria para retraer la varilla suele ser del 20% al 30% de la fuerza de operación. Esa fuerza suele ser suministrada por un resorte o un peso tirado por la gravedad, adjunto al exterior del motor.
Por qué la cera supera a los solenoides
La comparación con los solenoides es fundamental para el atractivo de los motores de cera. Un solenoide magnético es rápido, pero también es abrupto — se enciende y apaga instantáneamente. Un motor de cera es más lento para reaccionar, pero se mueve suavemente. Esa gentileza importa en algunas aplicaciones, especialmente cuando la fuerza involucrada es grande.
La fuerza en sí misma es notable. Tibbitts (1988), citado en el material de origen, informa que un motor de cera puede generar aproximadamente 4000 N de fuerza, lo que corresponde a unos 400 kg o 900 lb con una gravedad estándar. Eso es suficiente para mover una masa significativa, y proviene de un dispositivo que es esencialmente un tubo sellado de cera.
Debido a que el motor de cera es una carga resistiva en lugar de inductiva, se comporta bien con los TRIAC, los interruptores utilizados para controlar la energía de CA. A diferencia de las cargas inductivas, que requieren circuitos de supresión para proteger el TRIAC, los motores de cera no necesitan esos componentes adicionales. Esto simplifica el circuito y reduce la posibilidad de fallo.
Los motores de cera también pueden funcionar completamente pasivamente. Si la cera se elige para fundirse dentro de un estrecho rango de temperaturas ambiente, el motor puede abrir y cerrar una válvula sin ninguna fuente de alimentación externa. El calor del ambiente realiza el trabajo. Esto los hace útiles en lugares remotos donde la electricidad es escasa.
Dónde se utilizan los motores de cera
Las aplicaciones son amplias. La industria aeroespacial los utiliza para controlar combustible, fluidos hidráulicos y otros aceites en las aeronaves. El material de origen cita a Group, Techbriefs Media, quien informó que los motores de cera se utilizan en ese campo.
Los sistemas de HVAC utilizan motores de cera en las válvulas mezcladoras termostáticas. La cera detecta la temperatura y ajusta la posición de la válvula para producir una temperatura objetivo determinada. El mismo principio se aplica a las lavadoras, donde un motor de cera bloquea la puerta una vez que comienza un ciclo. Cuando la lavadora termina, la cera se enfría y la puerta se desbloquea.
Los lavavajillas utilizan motores de cera para liberar el pestillo de la puerta del dispensador de detergente. El motor actúa como un solenoide cuando es activado por el temporizador del lavavajillas, y el pistón abre el mecanismo. Los mismos motores también controlan la ventilación de escape para el ciclo de secado.
Los invernaderos utilizan motores de cera para regular la temperatura. A medida que el aire dentro del invernadero se calienta, la cera se derrite y abre las ventilaciones. Una vez que la temperatura baja, la cera se enfría y las cierra de nuevo. El motor puede ser operado pasivamente explotando fuentes ambientales de energía, lo que significa que no se necesita una fuente de alimentación externa adicional.
Los microaccionadores de parafina son una versión más pequeña de la misma idea. A menudo fabricados con tecnología MEMS, combinan la precisión de la fabricación con la respuesta térmica de la cera. Ogden, Klintberg, Lena, Thornell, Greger, Hjort, Klas y Bodén revisaron el campo en Microfluídica y Nanofluídica, observando que los actuadores de parafina miniaturizados han sido estudiados extensivamente.
Caja de Datos Clave
- La cera se expande entre un 5 y un 20% cuando se derrite (Freund et al. 1982)
- Fuerza de operación: aproximadamente 4000 N, o 400 kg/900 lb (Tibbitts 1988)
- Fuerza de preestablecimiento: entre un 20% y un 30% de la fuerza de operación (Duerig 1990)
- La fuerza del motor de cera proviene de la expansión, no de las partes móviles
- Posible operación pasiva con calor ambiente
Una Secuencia Continua de Aplicaciones
| Aplicación | Fuente de Calor | Uso |
|---|---|---|
| Controles aeroespaciales | Calor del motor ( | Sistemas de combustible, hidráulicos y de aceite ( |
| Válvulas mezcladoras ( | Calor ambiente ( | Control termostático de temperatura ( |
| Cerradura de la puerta de lavandería ( | Inicio del ciclo ( | Activación de la puerta ( |
| Cierre del detergente del lavavajillas ( | Señal del temporizador ( | Mecanismo de liberación ( |
| Ventanas de invernadero ( | Aire ambiente ( | Regulación de temperatura ( |
El motor de cera es una pieza de ingeniería silenciosa. No zumba, no chispea y no requiere un flujo continuo de electricidad. Simplemente está ahí, esperando calor, y entonces se mueve. (
El motor de cera no es nuevo. Pero sigue cumpliendo su función. (
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