CURIOSIDADES --- Resonancias en los trenes de alta velocidad japoneses

Los japoneses fueron los primeros en poner en explotación un tren de alta velocidad. El Shinkansen unía ya en la década de los sesenta Tokio con Osaka a más de trescientos kilómetros por hora.

Un tren así tiene que utilizar una tecnología muy avanzada en todos sus elementos. Por poner sólo un ejemplo, tiene que ir presurizado (¿nos acordamos de los problemas del Comet en la parte dedicada a la aviación?), pues en caso contrario,al pasar por un túnel el choque aerodinámico, el rebote en las paredes de la onda de avance, nos daría un golpe de presión que nos reventaría los oídos a todos lospasajeros. No es una presurización que tenga que soportar una ascensión suave a una altura predeterminada como en el caso de los aviones, sino que debe estar preparadapara golpes aerodinámicos muy violentos a cada túnel o puente que se cruce en la
ruta. No: no es trivial aumentar la velocidad de un tren por encima de ciertos límites.

Y uno de los elementos críticos en todos los trenes eléctricos, pero mucho más en esos trenes tan rápidos, es el «pantógrafo», ese artilugio que va encima de la máquina del tren tocando «con delicadeza» la línea eléctrica, línea que se suele llamar catenaria por la forma geométrica que hace el hilo al colgar.

¿Puede la bestia ser delicada y cariñosa con la bella?

¿Se puede tocar «con delicadeza» una línea eléctrica? ¿Con quince o veinticinco mil voltios? ¿A más de trescientos kilómetros por hora? ¿Y haciendo que por el punto de contacto circulen los muchos miles de caballos de potencia que hacen falta para impulsar esas máquinas imponentes? Evidentemente, las respuestas a esas preguntas retóricas son afirmativas en todos los casos, puesto que los trenes eléctricos funcionan, pero es igual de evidente que se trata de unos elementos, el pantógrafo y la catenaria, en los que hay
mucha más ingeniería de la que se ve a simple vista.

De hecho tienen muchos problemas que no son fáciles de apreciar, relacionados
con la cantidad de corriente que es capaz de captar, con su desgaste (cuanto más se apriete el pantógrafo contra la catenaria, más corriente transmite, pero más se desgastan uno y otra), con el detalle de si el desgaste es uniforme o en puntos concretos (la catenaria suele tenderse haciendo un suave zigzag de poste a poste para no concentrar el desgaste del pantógrafo en un solo punto), con el problema de si con las vibraciones de la vía o del propio tren da «saltos» que dejen al convoy sin potencia unas fracciones de segundo, con el problema de si en esos saltos salen chispas (las chispas no sólo pueden ocasionar incendios en los alrededores, sino que desgastan muchísimo los contactos) y un sinfín de detalles más que dan trabajo a los diseñadores y buenos sueldos a los buenos diseñadores.

Pero con mucha diferencia el problema más espectacular de los muchos que puede tener un pantógrafo es el engancharse en la catenaria, lo cual da lugar a incidentes molestísimos, con un tren parado en mitad del campo con cientos de pasajeros enfadados y otros muchos trenes y pasajeros detenidos en diversas estaciones del recorrido para esperar a que los empleados arreglen lo que a veces son varios kilómetros de catenaria que el pantógrafo averiado ha ido destrozando al romperse y engancharse. Y además, en sitios a los que hay que llegar «campo a través». Eso afecta cada vez a miles de viajeros durante muchas horas, viajeros que para el siguiente trayecto vuelven a plantearse si es mejor subirse a ese tren o irse al aeropuerto.

La tecnología francesa sólo funcionaba bien en Francia

Los pantógrafos y catenarias de los trenes japoneses no tenían mayores problemas, pero cuando los ferrocarriles franceses empezaron a explotar sus primeras líneas de alta velocidad con su TGV, parece ser que sus pantógrafos, trabajando con sus catenarias, tenían un rendimiento algo mejor que los modelos japoneses.

En la siguiente línea de alta velocidad que se construyó en Japón se probaron las patentes francesas. Y fueron un desastre. Los pantógrafos se enganchaban en la catenaria de una manera rutinaria. Y era inexplicable, porque en el TGV no sucedía. Se revisaron las instalaciones de los japoneses hasta la náusea, pero los ingenieros franceses no podían decir nada diferente a que la instalación estaba perfectamente realizada y los elementos eran de la calidad necesaria; todo era igual o mejor que en las líneas francesas.

Pero las líneas francesas funcionaban bien, y las japonesas no. Costó mucho encontrar la explicación, pero se terminó encontrando. Y costó porque se estaba buscando la causa en algo que «los japoneses» estuviesen haciendo mal y, sin embargo, la razón de que en los ferrocarriles franceses no hubiese enganches de la catenaria y en los japoneses sí estaba en que había algo que los japoneses estaban
haciendo «mejor» que los franceses.

Catenarias bien o mal afinadas

Es menester hablar de música durante unos párrafos. Una cuerda de guitarra, cuando la pulsamos, oscila de un lado a otro a una frecuencia muy precisa y, si la tensamos un poco más o un poco menos, oscila a otra frecuencia que puede que no sea la correcta.

Cuando la guitarra está «afinada», es decir con cada cuerda oscilando a su frecuencia correcta con la tensión exacta, todavía podemos hacer que una cuerda resuene, o lo que es lo mismo suene a otra frecuencia mayor, acortando la cuerda, que es lo que conseguimos cuando con los dedos de la mano izquierda apretamos la cuerda sobre los «trastes»: así oscila en una distancia más corta y lo hace más deprisa o, en otras palabras, da un tono más agudo.

En una guitarra afinada, al pulsar la segunda cuerda (empezando a contar por la más fina, la de abajo) en el quinto traste debe sonar igual que la primera. Y ahí se da, además, otro fenómeno: si dos cuerdas tienen la misma frecuencia de resonancia y pulsamos una de ellas, las vibraciones de la pulsada, transmitidas por el aire (sí: el sonido) hacen vibrar la cuerda hermana; pero en cuanto hay una mínima diferencia entre las frecuencias de resonancia de las dos, no se da esa transmisión de energía entre una y otra, porque la energía que capta la receptora la desaprovecha. Es como si empujamos un columpio a una frecuencia diferente a la de su balanceo: terminaremos empujándolo cuando todavía está subiendo y lo frenaremos en lugar de acelerarlo.

Resumiendo, antes de volver a los trenes: la frecuencia a la que resuena una cuerda (o cable de catenaria, o barra de hierro, o lo que sea) depende de su longitud, aparte de la tensión (que es lo que aumentamos o disminuimos cuando afinamos moviendo las clavijas de cada cuerda). Con esas ideas en la cabeza volvamos a la vía del tren: kilómetros de catenaria, un cable metálico mantenido a cierta tensión muy concreta por unos pesos que se colocan cada pocos cientos de metros y colgando de postes colocados a unas
distancias regulares, cada cincuenta metros por ejemplo.

La frecuencia a la que resuena esa línea depende de la longitud de cada salto, de la distancia entre postes por lo tanto y, efectivamente, en las catenarias japonesas había una frecuencia en la que oscilaba de una manera natural y, a una determinada
velocidad, el avance del pantógrafo iba aumentando cada vez la oscilación.

Las líneas eléctricas tampoco se deben usar como columpios

El tren pasaba por uno de los tramos entre postes, con el pantógrafo apretado contra la catenaria para hacer buen contacto y la catenaria se elevaba un poco. Como podemos ver si movemos una cuerda arriba y abajo, la oscilación en un tramo se transmite al siguiente, que oscila también, pero en sentido contrario: si «subimos» este tramo, la rigidez de la línea hace que «bajen» los tramos anterior y posterior. Pero luego, después de bajar, los tramos anterior y posterior suben un poco, justo cuando el tren entra en ellos y su pantógrafo empuja ese tramo de catenaria también hacia arriba.

El siguiente tramo, con el nuevo empujón del pantógrafo sube más y hace que el siguiente baje más, con lo que en su recuperación sube algo más de lo que lo hizo el anterior y se vuelve a encontrar con que en el momento preciso entra un tren en ese tramo y le pega otro empujoncito hacia arriba. En otras palabras, a una determinada velocidad entra en resonancia la catenaria con el tren, van oscilando los tramos cada vez más arriba hasta que la catenaria y el pantógrafo se mueven más allá de sus límites de buen funcionamiento y algo se rompe.

Pero eso es lo que ya sabían los japoneses. La pregunta a contestar era otra: ¿por qué eso mismo no pasaba en los trenes franceses, con la misma catenaria, el mismo pantógrafo, las mismas tensiones y a las mismas velocidades? Respuesta: porque los franceses son latinos (más o menos) y los japoneses no.

El espíritu latino aplicado a las obras públicas

Traducido a catenarias y pantógrafos, los japoneses recibieron unos materiales para montar sus líneas ferroviarias con unas nstrucciones que decían que cada poste se tenía que poner a cincuenta metros del anterior, y eso hicieron hasta el segundo decimal. Los franceses, en cambio, donde decía «cincuenta metros» entendieron «unos cincuenta metros, más o menos». En otras palabras, que los postes del TGV no están todos a la misma distancia, sino que un margen (no nos atrevemos a llamarlo «error» a la vista del resultado) de quince o veinte centímetros adelante o atrás en la posición del poste no se consideraba digno de mencionarlo siquiera, mientras que los metódicos y precisos japoneses, conscientes de que una técnica como la que se necesita para un tren de alta velocidad exige precisión y método, los habían colocado con un margen de milímetros o menos.

El resultado: en las líneas ferroviarias francesas, cada tramo de catenaria tenía una frecuencia de resonancia marginalmente diferente de la del tramo precedente y de la del posterior y a ninguna velocidad del tren entraba en resonancia de forma grave. En
Japón, en cambio, había velocidades que rompían la catenaria por hacer las cosas excesivamente bien.

Fuente: "Grandes desastres tecnológicos. Los más espectaculares accidentes técnicos y científicos". Koldobica Gotxone Villar y Félix Ballesteros Rivas