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Introducción El peso de los vehículos de carga ha sido un tema constante en la historia del desarrollo y evolución de vehículos y carreteras. Una preocupación latente en México, que se ha agudizado en los últimos años, es el sobrepeso que le confiere el exceso de la carga transportada a los vehículos. Más aún, a esta condición de operación se le atribuye una mayor siniestralidad y severidad de los accidentes, pues es un hecho que vehículos con mayor peso requerirán de mayor energía para controlarlos. Adicionalmente, el paso de vehículos cargados tiene una incidencia directa en el deterioro de los caminos, por lo que las autoridades reguladoras han orientado sus esfuerzos para tener un mayor control en torno al peso de los vehículos circulantes, sin afectar significativamente la productividad del sistema de transporte. La regulación no se reduce únicamente a establecer valores de peso máximo de las distintas configuraciones vehiculares que circulan por las carreteras mexicanas. La normativa actual detalla incluso hasta el peso admisible que se debe soportar por eje, acorde al tipo y arreglo en una unidad o configuración vehicular. No obstante, mayor dificultad la representa la verificación del cumplimiento de esa normativa, así como su implementación práctica. Lo anterior, debido a las dificultades que se han presentado para poder determinar el peso de una manera rápida y confiable, sin afectar la operación y el tránsito de los vehículos en su ruta. La manera tradicional de hacerlo es colocar el vehículo y mantenerlo inmóvil sobre una plataforma estática que, aunque le da certidumbre a la medición, requiere de varios minutos para realizar el pesaje, proveyendo únicamente el peso total o, en el mejor de los casos, por unidad en una configuración articulada (Figura 1). Este método es tardado e ineficiente para aplicarse a un volumen considerable de vehículos y, más aún, si se pesara cada eje de toda configuración vehicular.
Figura 1. Pesaje estático de un vehículo en carretera. Una de las técnicas que se han tratado de implementar en los últimos años en distintas partes del mundo para determinar el peso de vehículos en tránsito, es el así llamado pesaje en movimiento (weigh-in-motion). Este método ha experimentado una fuerte evolución principalmente en el desarrollo de la tecnología empleada en los sensores de pesaje y en los algoritmos de control de los equipos. La efectividad de la tecnología ha sido tal, que incluso en algunos países de Europa y Asia se ha adoptado o considerado como un medio medidor y verificador que apoya la regulación del peso de los vehículos en tránsito. En función de esa efectividad, el pesaje en movimiento parece ser una herramienta útil para establecer esquemas que favorezcan la seguridad vial y la operación de los vehículos, así como de elaboración de estrategias y mejores políticas de construcción y conservación de carreteras, con un equilibrio en el marco de la productividad y competitividad del transporte. México está en proceso de exploración del uso e implementación de los sistemas de pesaje en movimiento, que le permitan tener información precisa de la magnitud de las cargas que circulan por sus carreteras. Por tanto, la intención de esta nota es exponer información modesta sobre conceptos mecánicos involucrados en el tema, que apoye en la interpretación técnica de la aplicación del método general de pesaje en movimiento y que, debido a la costumbre de uso del lenguaje, pudiera suscitar alguna confusión en los términos prácticos empleados. ¿Qué es el peso? En el ámbito del transporte, es común utilizar indistintamente peso y masa como equivalentes, haciéndose costumbre a lo largo del tiempo referirse al peso de los vehículos a través de su masa. Ese hecho ha promovido que los efectos del transporte sobre los caminos se perciban como acciones constantes y no con la variabilidad de la interacción entre ambos. El peso es una fuerza muy particular que refleja el efecto de atracción de la gravedad de la tierra sobre la masa de los cuerpos físicos. Es importante notar que para la masa, magnitud física definida como una medida cuantitativa de la inercia de los cuerpos, su valor no depende de la ubicación ni del movimiento al que pueda estar sujeto, por lo que si un cuerpo no se desprende de parte de sí, su masa entonces será constante en cualquier parte del mundo o del universo físico. Aunque la definición puede parecer lejos de la sencillez, una forma simple de visualizarla es asociándola a la metodología usualmente utilizada para su determinación, representada por medio de una balanza en la que la magnitud (valor) de la masa de un objeto se obtiene por comparación con otra masa conocida (Figura 2). Figura 2. Determinación esquemática de la masa. La conceptualización simplificada de fuerza, por otro lado, se reduce al producto de la masa de un cuerpo por la aceleración que experimenta. De manera simbólica, la representación usual proviene de la Segunda Ley de Newton, expresada de manera simplificada como:
En esa expresión, F representa la fuerza, m la masa y a la aceleración, pudiendo ésta actuar linealmente en cualquier dirección, dependiendo de las condiciones del movimiento. La fuerza que actúe sobre el objeto dependerá del movimiento que vaya realizando y se mantendrá constante únicamente si no existe cambio en su dirección lineal (rectilíneo), si mantiene su sentido y no tiene ningún obstáculo o resistencia. Desde un punto de vista metrológico, otra diferencia significativa yace en las unidades de medida utilizadas para cuantificarlas. De acuerdo al Sistema General de Unidades de Medida (SGUM), sistema coherente de unidades basado en el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de masa es el kilogramo (kg), mientras que para la fuerza es el Newton (N), [1]. De acuerdo al mismo sistema, la unidad de aceleración es el metro sobre el segundo al cuadrado, (m/s2), por lo que de la expresión de fuerza se puede deducir que 1 N equivale a 1 kg·m/s2. Debe mencionarse que, de acuerdo a la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, el Sistema General de Unidades de Medida es el sistema adoptado en México con obligatoriedad de uso, [2]. Ahora, de manera específica, el peso es un parámetro único que involucra el valor de la aceleración de la gravedad terrestre. Dada la forma esferoide de la tierra, con las irregularidades superficiales, de altura y de achatamiento de los polos, la aceleración de la gravedad es entonces susceptible a la ubicación geodésica. No obstante, para fines prácticos se ha convenido en una representación y valor estándar, siendo convencionalmente referida por la letra “g“ y con el valor de 9,80665 m/s2, comúnmente redondeado a 9,81 m/s2. El hecho de que la aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra tiene dirección vertical y se dirige hacia abajo, refuerza el uso común del peso como una magnitud única y constante para una masa determinada (Figura 3).
Figura 3. Determinación esquemática del peso. Con fines de representación, la expresión simbólica de peso, P, sería:
Acorde con el sistema de unidades oficial en México, el peso debía expresarse en Newtons, por lo que una masa de 1 kg produciría un peso de 9,81 N. Por otro lado, la costumbre ubica una manera alternativa asociada a la masa como connotación de fuerza, utilizando la unidad de kilogramo-fuerza, kgf. Así, el valor equivalente de peso para la masa de 1 kg en esta unidad alternativa sería de 1 kgf; sin embargo, el SGUM advierte que ésta es una unidad que no debe utilizarse, [1, tabla 18]. ¿Qué se requiere, peso o masa? Además de las diferencias inherentes a su definición, una característica práctica distintiva altamente significativa entre peso y masa, se refiere a la variabilidad de su comportamiento. El peso, como fuerza, es dependiente del valor de la aceleración de la gravedad y ésta, a su vez, depende de la ubicación y topografía de la tierra, entre otros factores. En contraparte, la masa no es susceptible a esas situaciones, manteniéndose constante en cualquier ubicación y estado de movimiento. El empleo del concepto “peso”, en el ámbito de operación del transporte carretero y de otras tantas áreas, ha sido una costumbre arraigada desde hace muchos años. Sin embargo, la magnitud física a la que se hace referencia es la masa que, de acuerdo al sistema de unidades adoptado, es una magnitud primaria inmune a las condiciones físicas y topográficas. La masa, como característica de referencia de un vehículo, permite obtener, deducir o generar mayor información sobre los efectos físicos del movimiento en su operación, como la fuerza, la energía y la potencia para moverlos o detenerlos, o la fuerza de interacción con el camino por el que transita. No obstante, dadas las grandes magnitudes de las masas y volúmenes manejados por el transporte, así como el enorme flujo de vehículos en carretera, hasta la fecha su medición presenta complicaciones prácticas por los requerimientos de espacio y rapidez de determinación involucrados, por lo que se utilizan técnicas indirectas para su determinación, como es el caso del pesaje. Pesaje de vehículos en movimiento El pesaje de vehículos en movimiento, conocido de manera práctica como pesaje dinámico, se refiere a la acción de estimar la masa del vehículo cuando transita sobre la carretera, sin que éste deba detenerse y permanecer inmóvil. La estimación se realiza a través de la medición y análisis de las fuerzas transmitidas por las llantas a la superficie del camino, lo que permite incluso estimar la distribución de la carga en cada eje o lado de eje. La determinación del peso (como fuerza), así como de la masa, no es un proceso trivial, ya que la fuerza transmitida por las llantas puede ser, y normalmente lo es, diferente para cada llanta o grupo de llantas, y presentar un comportamiento variable. La variación de la fuerza se debe a las condiciones en las que el vehículo se mueve en su dirección de avance conforme al estado superficial y estructural de la carretera. Además, debido a la interacción mecánica entre los distintos elementos y sistemas que componen el vehículo, éste tendrá un movimiento de oscilación o vibración natural propio al desplazarse, por las combinaciones de masa, de rigidez, elasticidad y amortiguamiento de sus componentes, así como de las características de operación de su sistema motriz. Estos efectos se reflejan en el comportamiento dinámico de la interacción de cada llanta con el camino, únicos elementos en contacto para el desplazamiento del vehículo, produciendo una variabilidad dinámica de tales fuerzas conforme cada llanta rueda y se desplaza (Figura 4). De acuerdo al dinamismo de estas fuerzas de interacción, el valor global de su componente vertical puede tener desviaciones importantes respecto al peso soportado por cada llanta.
Figura 4. Esquema sobre la interacción de una llanta con la superficie del camino. La medición de las fuerzas se realiza a través de dispositivos colocados en el camino, ubicados en la trayectoria de los vehículos para que éstos pasen sobre ellos y, de esta forma, la condición normal de operación del tránsito se afecte lo mínimo posible. Para garantizar una mayor certidumbre en la estimación de la fuerza particular del peso y, por tanto, de la masa del vehículo, los dispositivos se configuran con su dirección sensible verticalmente. Además, se dispone al equipo de medición para que registre el valor de la componente vertical por contacto de la llanta o llantas, por lo que la medición será en el sentido hacia abajo; es decir, presionando la superficie del camino. No obstante, la medición práctica de esta fuerza ha requerido del desarrollo de dispositivos y técnicas de medición especialmente concebidos para ese fin, al igual que del acondicionamiento específico del entorno y de la infraestructura. El acondicionamiento contempla aspectos de la geometría y de la calidad superficial del camino, de manera que se presente la menor afectación posible en la medición, que lleve a diferencias relevantes con la magnitud del peso. Por tanto, los datos de medición registrados a primera instancia deben ser procesados para tratar de eliminar o atenuar cualquier otro efecto que se sume dinámicamente a la fuerza medida en su componente vertical. Dispositivos de medición Normalmente, los dispositivos de medición de fuerza dinámica utilizados para el pesaje deben colocarse a nivel con la superficie del camino, de manera que el vehículo pueda pasar por encima sin cambios de altura, o acondicionados previamente para la altura del dispositivo. De acuerdo a las necesidades y características de la medición, así como de la tecnología aplicada, los dispositivos pueden quedar embebidos en la estructura del pavimento, como es el caso de instalación de sistemas permanentes. Otros sistemas, como los portables, se colocan sobre la superficie del pavimento y se acondiciona su altura para el paso de las llantas, como las plataformas de pesaje mostradas en la Figura 5. No obstante, las capacidades de medición de este último tipo se reducen a un intervalo de velocidad de avance del vehículo relativamente bajo, del orden de los 10 km/h. Figura 5. Ejemplo de un sistema de pesaje con plataformas portátiles. Los principios para la medición de peso de vehículos son diversos, habiéndose utilizado ampliamente la extensometría eléctrica, técnica utilizada desde hace varias décadas para el análisis de esfuerzos de elementos mecánicos determinando la fuerza aplicada a través de la medición de la deformación producida, [3, 4]. Sin embargo, entre sus limitantes se encuentran las bajas velocidades de tránsito requeridas para la medición, la frecuente calibración de los sensores y la afectación de la medición por la zona de paso de la llanta y de las variables ambientales, como temperatura y humedad, entre otros factores. La evolución y generación de otras tecnologías de medición han contribuido al desarrollo de los sistemas de pesaje dinámico. El empleo de sensores piezoeléctricos, que tienen una mayor sensibilidad al paso dinámico, es otro ejemplo de aplicación de tecnologías avanzadas que en la actualidad han logrado superar problemas de efectos de temperatura y humedad ambiental, así como de otros factores asociados al manejo del material como sensor de medición. Esto ha permitido que se puedan tener equipos más compactos en los que la estimación de la fuerza del peso se realiza a través del paso de la llanta por una zona reducida, sin necesidad de que la llanta quede completamente contenida sobre el sensor de pesaje (Figura 6).
Figura 6. Sensor de pesaje dinámico embebido en pavimento. La versatilidad de estos sistemas permite registrar información para estimar la carga transmitida al piso por rueda (lado de eje), por eje o grupo de ejes. De aquí, el valor estimado de la masa para el vehículo completo o por unidad en una combinación vehicular, se obtiene por la suma de las estimaciones individuales en cada eje o lado de eje, según la configuración de la instalación. Además, arreglos de varios sensores en la trayectoria del vehículo permiten estimar la velocidad de tránsito durante la medición, información útil adicional a la de pesaje. Aspectos sobre la instalación y operación Para evitar en lo posible las perturbaciones externas debidas al camino, el sitio de instalación requiere de un trazo y geometría con condiciones específicas de planicidad y horizontalidad. Para que los dispositivos de medición tengan la efectividad deseada con la menor afectación del entorno, se emiten recomendaciones y prácticas recomendables en normas y reportes de investigación internacionales, como es el caso de la norma ASTM E-1318 y el reporte COST 323, [5, 6]. Entre las recomendaciones se tratan aspectos de selección del sitio de ubicación, del proceso de instalación, de características de preparación física de la infraestructura y la superficie del sitio como pendientes longitudinal y transversal, rugosidad y calidad estructural de la carretera, tanto en el punto de instalación de los sensores como en un espacio anterior y posterior a su ubicación. Estas normas y recomendaciones detallan también aspectos de puesta a punto, calibración de equipos y sensores y operación del sistema de pesaje, acordes con la ubicación y el efecto local de la aceleración de la gravedad, de las capacidades de los equipos involucrados y de las necesidades de medición y exactitud particulares. Adicionalmente, para mantener en un nivel bajo la participación del movimiento inherente al propio comportamiento del vehículo, durante el proceso de medición se sugiere una velocidad de tránsito lo más uniforme posible, aunque algunos equipos pueden determinar incluso las variaciones de velocidad del vehículo durante la medición. Todo lo anterior, con el propósito de tener las mejores condiciones para obtener la masa con la mayor exactitud práctica posible. Comentarios a considerar Aunque normalmente se hace referencia al peso, la masa es quien repercute en las capacidades de movimiento de los vehículos. Desde el punto de vista físico, la masa es una propiedad intrínseca a los cuerpos, mientras que la fuerza, como es el caso del peso, es una medida del efecto de la interacción de la masa con el entorno. Una misma masa que sea sujeta a distintas condiciones de movimiento presentará un comportamiento dinámico diferente en cada situación. Medir directamente la masa de los vehículos no es una tarea práctica sencilla, por lo que se recurre a determinaciones indirectas a través de la medición de efectos definidos y bien conocidos. Uno de estos efectos es el peso que, gracias a la particularidad de su definición, se toma ventaja del conocimiento de la magnitud de la aceleración de la gravedad para obtener el valor de la masa a través de operaciones matemáticas sencillas. No obstante, para el caso del pesaje en movimiento, que interfiere marginal o nulamente sobre las condiciones de tránsito normal en carretera, se debe medir el peso a través de la fuerza de interacción dinámica de las llantas con la superficie del camino. Aunque con menores dificultades prácticas que las que representa la medición directa de la masa, la medición de la fuerza dinámica para determinar el peso y, de ahí, obtener la masa, conlleva sus propias dificultades. Recientemente, los sistemas de pesaje en movimiento muestran la potencialidad de su aplicación gracias a la disminución de las incertidumbres de la medición. Esto se ha logrado principalmente por el desarrollo tecnológico aplicado a sensores y su control, así como al seguimiento de recomendaciones de preparación del sitio de medición y de operación de los vehículos. El conocimiento de la masa de los vehículos que circulan por carreteras en sus condiciones de operación, indudablemente permitirán definir escenarios dirigidos a incrementar la seguridad y reducir el deterioro de los caminos, que se refleje en un decremento de accidentes y de acciones de conservación y mantenimiento de la infraestructura. Esto contribuirá a que se desarrollen mejores condiciones para mantener un tránsito productivo y competitivo de los vehículos de autotransporte, dentro de un marco sustentado en la seguridad vial y en el buen estado de los caminos. Referencias 1. Norma Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002, Sistema General de Unidades de Medida. Secretaría de Economía. Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 27 de noviembre de 2002. 2. Ley Federal sobre Metrología y Normalización. Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión. Estados Unidos Mexicanos. Nueva Ley publicada en el Diario Oficial de la Federación el 1 de julio de 1992, con última reforma publicada en el DOF el 14 de julio de 2014. 3. Fabela Gallegos, Manuel de Jesús; Vázquez Vega, David; Hernández Jiménez, José Ricardo. "La extensometría como técnica de medición experimental" Artículo 3, Boletín IMT Notas No. 92, Febrero 2005 (Nota No. 299, 15 de octubre de 2005). Instituto Mexicano del Transporte. Sanfandila, Qro. 4. Hernández, José Ricardo; Fabela, Manuel de Jesús. "Desarrollo de prototipo para pesaje de vehículos ligeros en movimiento". Nota No. 324 del 30 de octubre de 2006. Instituto Mexicano del Transporte. Sanfandila, Qro. 5. ASTM International. E1318-09 Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion (WIM Systems with User Requirements and Test Methods. Edition published in February 2009. 6. Transport Research. COST 323 Weigh-in-Motion of Road Vehicles. Final Report (1993-1998). Edited by Bernard Jacob, Eugene O’Brien & Sophie Jehaes. Laboratoire Central des Ponts Chaussées; Paris, 2002.
Glosario Peso: Fuerza de atracción ejercida por la tierra sobre un cuerpo, definida como el producto de la masa del cuerpo por la aceleración de la gravedad. Pesaje en movimiento (Weigh-in-Motion): Proceso de estimación de la masa de un vehículo a través de la medición de la fuerza dinámica de contacto entre llantas y superficie del camino, mientras el vehículo continúa su movimiento de avance. FABELA Manuel HERNÁNDEZ RICARDO BLAKE Carlos FLORES Oscar |
