Fórmula Uno: la ciencia, la ingeniería y la innovación detrás de la velocidad

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Cada año, veinte pilotos y diez equipos compiten para coronarse campeón del mundo. Así es la Fórmula Uno resumida en una línea.

La Fórmula Uno, o F1, es una sensación mundial. Millones de personas de todo el mundo ven este deporte por muchas razones. Una de las cosas más fascinantes de este deporte es la velocidad y la agilidad de los autos de F1. ¡Los autos de carreras pueden alcanzar velocidades de 220 mph (350 kph)!

Si bien es divertido ver a los conductores competir entre sí por la posición ganadora, la ciencia, la ingeniería y la innovación detrás de la construcción del automóvil son igualmente fascinantes (¡si no más!).

Aquí tratamos de comprender los diversos factores de ingeniería que contribuyen a la velocidad de los autos de F1, incluida la aerodinámica, la potencia del motor y otras técnicas de ingeniería innovadoras. Cada equipo de F1 se esfuerza por optimizar el rendimiento de sus autos en estas áreas para obtener una ventaja competitiva sobre sus rivales.

¡Así que atasquémonos!

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El flujo de aire juega un papel crucial en el diseño de los autos de F1, dadas las altas velocidades que alcanzan. Por lo tanto, la aerodinámica de un coche de F1 es tan importante como el motor (del que hablaremos en la siguiente sección).

Hay tres cosas principales en las que ayuda la aerodinámica: reducir la resistencia, generar carga aerodinámica y minimizar la sustentación. Esto se hace controlando el diseño de las características aerodinámicas, como los alerones delanteros y traseros, los bargeboards y los difusores.

El arrastre es un tipo de resistencia del aire que reduce la velocidad del automóvil a medida que se mueve. Actúa de forma opuesta al movimiento relativo del vehículo con respecto al aire. Piensa en pájaros; tienen cuerpos aerodinámicos que reducen la resistencia y les permiten volar de manera más eficiente. Es lo mismo con los autos de F1.

La carrocería del automóvil se simplifica suavizando los contornos de la carrocería, minimizando los bordes afilados y reduciendo el área frontal del automóvil, todo lo cual ayuda a reducir las turbulencias y la resistencia.

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Las características aerodinámicas también ayudan a minimizar la sustentación, que es la fuerza ascendente que actúa sobre el automóvil a medida que se mueve. Mide la diferencia de presión por encima y por debajo del vehículo a medida que se mueve a través del aire circundante. La cantidad de sustentación depende principalmente de la forma y orientación de la carrocería del automóvil.

Los alerones delantero y trasero funcionan en conjunto con los difusores debajo del auto para crear un área de baja presión, generando carga aerodinámica. La carga aerodinámica contrarresta la sustentación para aumentar el agarre y la estabilidad del vehículo, lo que permite al conductor girar en las esquinas a mayor velocidad sin perder el control.

Los equipos usan túneles de viento para probar varias formas y diseños de carrocería para minimizar la resistencia y maximizar la carga aerodinámica (aunque la velocidad utilizada en las pruebas de túnel de viento está limitada a un máximo de 180 km/h, lo que no les permite probar todos los aspectos del automóvil). rendimiento completo y hay límites sobre cuánto tiempo se puede pasar en el túnel de viento, en función de dónde se ubicó el equipo en la última temporada).

Estas pruebas de túnel de viento ayudan a los equipos a optimizar las características aerodinámicas del automóvil para mejorar el rendimiento en la pista antes de cada temporada de carreras.

Los motores utilizados en la F1 son equipos muy sofisticados y, obviamente, juegan un papel muy importante en la velocidad y el rendimiento del coche.

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Las reglas de F1 establecen las especificaciones del motor. Desde 2014, los motores de F1 deben ser motores V6 híbridos de cuatro tiempos con una cilindrada de 1,6 litros y un turbocompresor para aumentar la potencia de salida (con un diámetro de 80 mm y una carrera de 53 mm). El turbocompresor introduce más aire en el motor, lo que da como resultado más potencia. Esto se logra mediante el uso de gases de escape para hacer girar una turbina, que acciona un compresor que empuja más aire hacia el motor.

La potencia que produce un motor de F1 depende de su velocidad de rotación, y desde 2021 está limitada a 15.000 rotaciones por minuto (rpm). En comparación, un automóvil de carretera con dimensiones similares generalmente funciona a alrededor de 6.000 rpm, ¡la mitad que un automóvil de F1!

¡El motor de un automóvil de F1 produce una potencia de casi 1,000 caballos de fuerza! 1 unidad de potencia mecánica (una medida imperial) es la energía necesaria para levantar 250 kg de peso un pie sobre el suelo en 1 segundo. El motor es uno de los componentes más caros de un coche de F1 y los equipos invierten mucho en desarrollar y optimizar sus motores.

Además, la potencia de salida del motor se ve impulsada por la tecnología híbrida. Desde 2014, según las normas de la FIA (el organismo rector de las carreras de autos), los equipos de F1 deben usar motores híbridos que incorporen motores eléctricos y una batería. La configuración híbrida tiene dos motores eléctricos, uno llamado MGU-K, que funciona con una batería y agrega potencia al cigüeñal, y un segundo llamado MGU-H, que administra el turbocompresor.

Esta energía se almacena en una batería y se puede utilizar para alimentar el motor eléctrico y potenciar el motor. La tecnología híbrida también permite que los autos recuperen energía durante el frenado para su uso posterior. Esta tecnología se denomina sistema de recuperación de energía cinética o KERS y se analiza en detalle en una sección posterior.

Los motores de los autos de F1 están construidos para ser compactos, livianos y altamente eficientes. Los autos de F1 son capaces de convertir el 50% de la energía del combustible en potencia. En comparación, ¡los autos de calle solo pueden convertir alrededor del 20%! Una de las formas en que convierten el combustible adicional es mediante el encendido de precámara, en el que hay una cámara secundaria más pequeña dentro de cada cilindro que se enciende primero.

También se obtiene una mayor eficiencia utilizando ingeniería y materiales avanzados (discutidos en la siguiente sección), turboalimentación y tecnología híbrida.

Dato curioso: no todos los equipos los fabrican debido a los altos costos de fabricar un motor de F1. Actualmente, solo cuatro equipos fabrican motores en la parrilla, Ferrari, Red Bull, Mercedes y Alpine.

La seguridad de los pilotos es de suma importancia en la F1, y los materiales utilizados en los autos de F1 se eligen con extremo cuidado. Existen regulaciones muy estrictas sobre el tipo de materiales utilizados para garantizar la seguridad del conductor. Sin embargo, los materiales utilizados también deben mejorar el rendimiento del automóvil.

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Los avances tecnológicos en los materiales han permitido que los autos de F1 sean más rápidos, seguros, duraderos y livianos que nunca. Un automóvil menos pesado proporciona aceleración, velocidad y agilidad mejoradas al tiempo que garantiza la seguridad del conductor.

El material más utilizado en los autos de F1 son los compuestos de fibra de carbono que representan alrededor del 80 por ciento del automóvil. Los compuestos de fibra de carbono ofrecen varias ventajas, como alta resistencia, bajo peso y alta rigidez. Esto los hace ideales como materiales para construir el chasis, que es el chasis del automóvil.

Durante su proceso de fabricación, el aumento de la temperatura y la aplicación de tensión aumenta el módulo (la relación entre la tensión (a lo largo de un eje y la deformación a lo largo de ese eje) de las fibras de carbono, haciéndolas más duraderas. Aparte de las fibras de carbono, los compuestos de matriz cerámica son Se utilizan en el sistema de frenos porque tienen una alta resistencia específica, lo que significa que son relativamente fuertes en comparación con su peso.

Debido a su alta relación resistencia-peso, se utilizan otros materiales como el titanio para construir componentes críticos como la suspensión y la caja de cambios. Y el magnesio se utiliza en la construcción de la carcasa de la caja de cambios y las ruedas debido a su ligereza y alta resistencia.

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Además, las fibras de nailon se utilizan para construir el monocasco (la "célula" que protege al piloto de Fórmula 1), el soporte estructural fundamental del coche. El monocasco es extremadamente fuerte y rígido para proteger al conductor en caso de accidente. También está diseñado para ser liviano para garantizar que la velocidad del automóvil no se vea afectada.

Ciertos materiales, como el kevlar y otras fibras de aramida, se utilizan para fabricar equipos de protección, como cascos y trajes de conductor, para mejorar la seguridad. Se trata de materiales ligeros que protegen al conductor sin añadir mucho peso al coche. Esto es importante porque el peso mínimo de un automóvil de Fórmula 1 (a partir de 2023) es de 798 kg (1759 lb), incluido el conductor, pero no el combustible. Entonces, cada gramo por encima de esto puede marcar la diferencia.

Los equipos de F1 utilizan técnicas de ingeniería innovadoras como el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para mejorar el rendimiento del automóvil. Esta es esencialmente una simulación del auto de F1 para evaluar cómo los gases (que son fluidos) afectarán el rendimiento del auto.

La técnica implica el uso de algoritmos informáticos para resolver ecuaciones aerodinámicas matemáticas y físicas. Las simulaciones CFD ayudan a optimizar el flujo de aire sobre y alrededor del vehículo, reduciendo la resistencia y mejorando la carga aerodinámica.

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Los equipos de F1 también utilizan el análisis de datos para mejorar el rendimiento del automóvil. Recopilan grandes cantidades de datos durante las pruebas y las carreras, incluido el desgaste de los neumáticos, el consumo de combustible, el rendimiento del motor y el comportamiento del conductor. Estos datos se analizan utilizando algoritmos de aprendizaje automático para identificar áreas de mejora en el diseño, la configuración y la estrategia del automóvil.

Ha habido varios avances tecnológicos en la F1 desde el inicio del deporte. Sin embargo, dos han destacado en los últimos años: KERS (al que ya se ha hecho referencia) y los sistemas de almacenamiento de energía (ESS).

KERS se utiliza para aprovechar la energía generada durante el frenado. La energía cinética del automóvil se convierte en energía eléctrica mediante un motor o generador a través de un proceso llamado frenado regenerativo. Esta energía eléctrica se almacena en una batería (KERS eléctrico) o en un volante (sistema Flybird), conocido como ESS.

Más tarde, la energía almacenada puede impulsar el motor eléctrico del automóvil y proporcionar una aceleración adicional. El uso de ESS en F1 se ha vuelto cada vez más importante a medida que los equipos buscan mejorar el rendimiento y al mismo tiempo reducir el consumo de combustible y las emisiones. El desarrollo de ESS más eficientes y livianos es un área de investigación y desarrollo en curso en la industria automotriz.

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Las innovaciones siempre están sucediendo cada temporada. ¡Hay mucho más que esperar ya que Audi anunció sus planes para unirse a la parrilla en 2026!

Se necesita un pueblo para diseñar un auto de F1 que pueda viajar a más de 300 kilómetros por hora. Y en este artículo, exploramos todas las diferentes partes de ese pueblo.

Cada detalle del automóvil afecta su velocidad y rendimiento, desde la aerodinámica hasta las tecnologías innovadoras. A medida que evolucionan la ciencia, las matemáticas, la ingeniería y la informática, también lo harán las nuevas tecnologías que ampliarán las posibilidades de la F1.

¡Las posibilidades son infinitas y emocionantes, ya que se trata de carreras de motor de vanguardia!