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Técnica

Alerones mariposa: cómo se rompió el alerón de Vettel

La vibración de los neumáticos de unos 35 Hz provocaron el desprendimiento del alerón delantero de Vettel por fractura del soporte por fatiga.

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Todos pudimos presenciar el desprendimiento del alerón delantero en el monoplaza de Sebastian Vettel. Era la vuelta 39. Sebastian cometía un trompo tratando de adelantar a Lewis Hamilton, bloqueando los cuatro neumáticos. Esto provocaría un plano en cada uno de los cuatro neumáticos.

Como sabréis, a consecuencia de esos planos y las vibraciones que provocaba, se rompió el alerón delantero. A continuación explicamos cómo un plano de unos pocos milímetros pudo causar la rotura de todo un alerón. Además, simulamos las circunstancias en las que esta se dio. Aunque con parámetros aproximados, el fenómeno se puede reproducir con un ordenador.

La suspensión filtra las vibraciones

Las vibraciones de la carretera son ondas. La rueda impacta con ellas. Estas ondas tienen una frecuencia, que simplemente es el número de veces que se repiten en un segundo. Una vibración de 10 Hz se repite 10 veces en un segundo. La suspensión puede verse como «una caja negra» que transmite una vibración al resto del vehículo. Esta caja negra recibe una entrada, que es la vibración de la carretera, y tiene una respuesta, que es la vibración que se transmite al vehículo.

MomentoGP

La  vibración que se transmite al vehículo es de la misma frecuencia que la de entrada. Si un coche pasa por un tramo bacheado con cierta velocidad, de forma que, hay 5 baches cada segundo, la frecuencia que percibe un pasajero en el coche es de 5 Hz. Sin embargo, la intensidad de la vibración es menor, debido a que la suspensión hace su trabajo y lo filtra… casi siempre.

El filtro de la suspensión no es igual para cada frecuencia. A bajas frecuencias, la suspensión es muy poco efectiva, mientras que a altas frecuencias es tan efectiva que prácticamente no se transmite ninguna vibración. Esto es así porque no tiene la misma importancia un movimiento que se repite pocas veces que otro que se repite muchas veces en el mismo tiempo. El objetivo es filtrar las altas frecuencias, en coches de calle por comodidad y comfort, en Fórmula 1 por estabilidad y manejabilidad.

El siguiente gráfico es el diagrama de Bode de una suspensión. Representa, para cada frecuencia, cómo de intensa es la vibración que transmite. Cuando a una frecuencia le corresponden 0dB, la vibración transmitida es exactamente igual a la de la carretera. Cuando está por debajo, se transmite muy atenuada. Como se puede ver, hay unas frecuencias donde se transmite una vibración mayor. Estas son las frecuencias que están cerca de la frecuencia de resonancia. En un Fórmula 1 suele ser de 7 Hz, una frecuencia que es demasiado baja en el rango de trabajo del monoplaza.

MomentoGP-Software MATLAB

La vibración que transmitía el neumático de Vettel

En el momento exacto en el que se rompió el alerón de Vettel, este rodaba a 260 km/h. Suponiendo que las vibraciones estaban en fase, y teniendo en cuenta que el diámetro exterior de los neumáticos en Fórmula 1 es aproximadamente de 650mm (es el valor máximo), podemos calcular la frecuencia de vibración exacta a la que se rompió el alerón: 35 Hz.

APP Fórmula 1. Se puede ver que la velocidad exacta de Vettel en el incidente es de 260 Km/h

Una vez conocida la frecuencia de vibración que recibe el neumático, podemos simular cuál es la vibración que se transmitía al monoplaza, una vez pasado el filtro de la suspensión. Para modelar la suspensión, hemos introducido los siguientes valores:

Masa del vehículo=700 kg (175 kg en cada rueda)

Carga aerodinámica=10.000 N

Constante de rigidez de la suspensión=90000 N/m

Constante de amortiguación=7200 Ns/m

Todas las constantes son valores razonables en la situación en la que se produjo el incidente de Vettel. Aunque no diste mucho de la realidad, no son valores exactos. Sin embargo, el fenómeno que queremos explicar se ve perfectamente.

Simulamos la respuesta de la suspensión ante una vibración rectangular de 35 Hz y la respuesta es la siguiente.

MomentoGP-software MATLAB

En azul vemos la vibración producida por la rueda con el plano. En amarillo vemos lo que percibe el monoplaza tras filtrar la vibración la suspensión. Vemos que esta vibración a penas se transmite. Sin embargo, algo pasaba. ¿Por qué Vettel prácticamente no podía hablar de la vibración que sufría? ¿Por qué se rompió el alerón?

La respuesta es la vibración en la fibra de carbono.

Resonancia del alerón

El alerón se puede modelar como un muelle con una masa en su extremo. Cuando en su soporte central se ejerce un movimiento, en sus extremos se produce una reacción contraria que provoca una oscilación. Al igual que con la suspensión. también podemos ver un diagrama de Bode con el comportamiento del alerón para cada frecuencia. (Hemos despreciado la fricción con el aire, que a efectos prácticos no influye).

Como vemos, aquí se transmite la vibración a bajas frecuencias completamente igual. Sin embargo, a una cierta frecuencia, la de resonancia, la amplitud de la vibración aumenta enormemente. Hemos simulado este fenómeno en el caso de que coincide la frecuencia de resonancia con los 35 Hz, como se evidencia en las imágenes. La onda de entrada, ahora de color azul, es la onda que transmite la suspensión (amarilla en el diagrama anterior). La onda amarilla es la onda con la que vibra el alerón. 

MomentoGP-software MATLAB

Como podemos ver, en poco tiempo la vibración se puede volver catastrófica, a pesar de que la excitación del alerón sea muy poca. De hecho, a partir del tercer segundo, parece prácticamente constante. Sin embargo no lo es: hay pequeñas oscilaciones muy pequeñas. Esto hace que el alerón amplifique su oscilación cada vez más.

El alerón no se rompió en sí mismo, sino que se rompió el soporte. Cambios tan grandes en la amplitud requieren un esfuerzo enorme en el soporte que lo sujeta. Llega un momento en el que esta fuerza supera el límite de fluencia de la fibra de carbono de esa zona, y se produce una rotura frágil, con resultado catastrófico como pudimos comprobar. No será la última vez que veremos algo similar. Siempre se podrá explicar de forma similar a lo sucedido esta vez. Hasta entonces, seguiremos viendo alerones mariposa.

 

Simulación realizada con Matlab-Simulink, con licencia de estudiante del Politécnico di Milano, sin ánimo de lucro.

 

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Técnica

Petróleo, el recurso de oro en el automovilismo

De los GLPs a las parafinas pasando por los gasóleos

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En este artículo vamos a hacer un breve repaso a lo que supone este oro negro en la industria del automóvil pues a partir de él no sólo se obtienen gasolinas y gasóleos.

El petróleo es un líquido viscoso que se presenta en la naturaleza con tonos verdes, amarillos, marrones y negros. Se compone por hidrocarburos, esto es, compuestos formados por átomos de carbono e hidrógeno en cantidades variables.

Una vez hechas las presentaciones, toca hablar de lo que de verdad importa ¿por qué el petróleo es el recurso de oro en el automovilismo?

Mediante su destilación se obtienen diferentes compuestos según su punto de cambio de fase. Algo parecido a lo que ocurre, por ejemplo, si calentamos agua y aceite de oliva en una olla: al cabo del tiempo veremos que el agua se evapora, pero el aceite se mantiene porque no se ha llegado a su temperatura de ebullición.

No obstante, el petróleo es algo más complejo que esa mezcla de agua y aceite de la que hablamos, ya que en temperaturas por debajo de 0 grados centígrados se obtienen los primeros compuestos. Es el caso de los GLPs (Gases licuados del petróleo), como el butano o el propano. Si calentamos el crudo, el siguiente compuesto en aparecer en escena es la gasolina, seguida del queroseno y de los gasóleos, con puntos de ebullición variables entre 30 y 400 grados centígrados. Tampoco se deben olvidar a los aceites lubricantes, obtenidos también de la destilación de este recurso.

Torre de destilación. Fuente: Cepsa

De esta manera se consiguen los carburantes más utilizados hoy día en el automovilismo.

Estoy seguro de que algunos de vosotros ya estabais al tanto, pero ¿sabías que la parafina utilizada para medir el comportamiento del aire en los monoplazas también se obtiene del petróleo? En este caso se utiliza otro proceso llamado craqueo térmico o catalítico.

Y, por último, pero no menos importante, el asfalto. ¿Qué sería de las carreras sin asfalto? Este compuesto también se obtiene del petróleo siguiendo el mismo proceso que en el caso de la parafina.

Fabio Quartararo. Fotógrafo: JÖRG MITTER

Sin duda, este recurso no es uno más en la naturaleza, es una de las materias primas más importantes, objeto de comercio internacional.

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Fórmula 1

De los fardos de paja a las barreras TecPro: así ha evolucionado la seguridad en los circuitos

Hoy analizamos cómo han ido evolucionando las barreras desde los comienzos de la categoría reina, y la reducción de desgracias con el paso de los años.

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Corría el año 1975 cuando se celebró el último Gran Premio de España en el circuito de Montjuïc. Por esa época, la muerte de algún piloto estaba totalmente normalizada. Perdimos a pilotos como Jochen Rindt, Wolfgang von Trips, Alberto Ascari, Lorenzo Bandini… pero, antes de llegar al meollo del asunto, centrémonos en estos dos últimos casos.

Alberto Ascari, cuatro días antes de perder la vida probando un Ferrari en Monza, tuvo otro accidente del cual salió ileso, pero por los pelos. En Mónaco, circuito que por aquel entonces no contaba con apenas protecciones (como la gran mayoría), Ascari perdió la tracción del monoplaza al encarar la Nouvelle Chicane, pero hasta tal punto… ¡que se fue al agua! Por fortuna, Ascari logró sobrevivir. Quién diría que tan solo cuatro días después perdería la vida.

Gran Premio de Mónaco de 1950, primera victoria de Fangio – F1

Por otro lado, tenemos el caso de Lorenzo Bandini. En 1967, las medidas de seguridad implementadas en los trazados consistían mayoritariamente en poner fardos de paja como protecciones alrededor del circuito. Estos fardos absorbían gran parte del impacto, y obviamente, la deceleración del monoplaza al chocar era menos brusca que si el coche en cuestión chocara contra un árbol. Bandini, curiosamente en la misma recta que Ascari, perdió el control del monoplaza y volcó. Su Ferrari se incendió, prendiendo fuego así las barreras de paja que conformaban los exteriores del circuito y provocando un incendio masivo. Bandini perdió un brazo, y a los 3 días, la vida. Estos fardos de paja serían prohibidos tres años más tarde.

Muchos recordamos el accidente de Robert Kubica en Canadá. Viniendo de accidentes de gravísimas consecuencias a lo largo de los años, todos nos hicimos la siguiente pregunta: ¿cómo pudo Robert tener consecuencias tan leves? O lo que es lo mismo, vimos a Fernando Alonso volver andando tras su espectacular accidente en Melbourne hace ya cuatro temporadas. Es cierto que la seguridad en los monoplazas es algo vital, algo que hemos visto en accidentes como el acontecido en Spa en 2012 y 2018, y el de Romain Grosjean en Baréin hace un mes. Pero, dejando los monoplazas de lado… ¿cómo han ido evolucionando los circuitos en el apartado de la seguridad?

Pocos pueden imaginar una sola carrera de Fórmula 1 sin barreras. No obstante, lo cierto es que las barreras de seguridad no fueron obligatorias… ¡hasta 1974! Las escasas medidas de seguridad tomadas en los circuitos hasta establecerse la obligatoriedad de las barreras de seguridad se saldaron con terribles consecuencias, como el ya conocido desastre de Le Mans de 1955, donde el monoplaza de Pierre Levegh salió volando y 83 espectadores fallecieron.

Varios pilotos colisionan durante la salida del Gran Premio de España de 1975 – ESPN

Un año después de declarar obligatorias las barreras de seguridad en el gran circo, llegó el Gran Premio de España de 1975. En este Gran Premio, ya hubo múltiples quejas antes de la carrera, cuestionando la validez de los guardarraíles del circuito, y alegando que la sujeción entre los guardarraíles era muy débil y que un desafortunado golpe podría acabar en tragedia si algún piloto chocaba contra el muro. Los comisarios del circuito trataron de solventar esta situación arreglándolos, pero igualmente, pocos se fiaban de la seguridad del circuito. En la vuelta 26, Rolf Stommelen perdió el control de su Embassy GH1 y atravesó por completo el muro, atropellando a unos cuantos espectadores, de los cuales cinco perdieron la vida.

Durante esta época, además de los guardarraíles, eran frecuentes las vallas alambradas en los circuitos. Hubo otro susto parecido en la clasificación del Gran Premio de Sudáfrica de 1981, cuando Carlos Reutemann quedó atrapado y estrangulado entre los alambres tras colisionar contra las vallas. Los comisarios salvaron la vida del argentino. No obstante, lo peor llegaría en la carrera, cuando Geoff Lees impactó contra las vallas, cayéndose uno de los postes que sostenía el alambrado y golpeando en la cabeza del piloto británico, dejándolo inconsciente. Finalmente, Lees salió ileso y no hubo consecuencias graves.

Durante los años 80, otra medida de seguridad implementada en los circuitos fue la ya más familiar barrera de neumáticos. Lo cierto es que esta manera de proteger a los monoplazas estuvo vigente durante muchos años, y parecía la manera más segura de frenar el impacto de los monoplazas, para evitar mayores consecuencias. Las barreras de neumáticos contaban, obviamente, con un tubo protector en el que se ensartaban varios neumáticos, como si de una brocheta se tratase. Sin embargo, el riesgo de que algún neumático se saliera de la barra aun existía, y sucedió en muchas carreras, pero la más icónica fue en Interlagos, en 2003.

El coche de seguridad enfila la última curva de Interlagos tras el accidente de Alonso – F1

En medio de una torrencial lluvia que sacudía el trazado brasileño, Mark Webber perdió el control de su monoplaza e impactó contra el muro, perdiendo las cuatro ruedas, que quedaron esparcidas por la curva. Tras el accidente, ondearon banderas amarillas y el coche de seguridad salió a pista. Fernando Alonso, que rodaba tercero, no vio las banderas amarillas porque estaba discutiendo por la radio respecto a qué neumáticos calzar para el tramo final de la carrera, llegó a 270 kilómetros por hora a la última curva, e impactó contra uno de los neumáticos de Webber, yéndose contra el muro y haciendo saltar decenas de neumáticos que se esparcieron por la pista. Tras el incidente, se suspendió la carrera.

Por aquel entonces, se iba desarrollando el tipo de protección que tenemos hoy día en los circuitos: las barreras TecPro. Estas barreras comenzaron a ser producidas en 1998, y se han ido perfeccionando con el paso de los años tras diferentes accidentes. Consisten en varias capas de bloques de poliestireno que reducen de forma considerable los efectos del impacto de un monoplaza. Estas barreras han ido mejorando su función durante los últimos años y, ante el miedo de que algún piloto se quede atrapado bajo las barreras, como ya le pasó a Sainz en Sochi en 2015, se han ido desarrollando evoluciones.

De esta manera, con la implementación de las barreras TecPro, escalofriantes accidentes como el que sufrió Pastor Maldonado en Mónaco, en 2013, curiosamente en la misma curva que Ascari y Bandini, han quedado en simples sustos. Lejos quedan los fardos de paja que contribuyeron a que se incendiara el coche de Bandini. Hoy, gracias a las constantes investigaciones que se realizan acerca de la seguridad en lo que a monoplazas, pilotos y circuitos respecta, podemos disfrutar de una Fórmula 1 infinitamente más segura

Pastor Maldonado, tras sufrir un accidente en Tabac, en Mónaco, en 2013 – Eurosport

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Automovilismo

5 cosas que no sabías del mundo del motor

Damos respuesta a curiosidades del mundo del motor

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Hoy en MomentoGP os traemos un artículo diferente, dando respuesta a algunas preguntas que seguro, cualquier aficionado del mundo del motor se ha hecho alguna vez. O incluso nunca se las ha planteado. Seas del grupo que seas, de invito a que te quedes a leer este artículo. Como dice el dicho, ¡nunca te acostarás sin saber una cosa nueva!

Bien está lo que bien acaba

En comparación con la zona delantera, el diseño de la parte trasera de un vehículo es más importante en materia de reducción de consumos y resistencia aerodinámica. El principal motivo es que en la parte trasera se generan turbulencias (vórtices de Von Karman), principalmente a la salida del pilar C, que tienen una estrecha relación con el ángulo de la luneta trasera. Dependiendo de cómo giren estos vórtices, se genera un efecto arrastre en el conjunto que aumenta la drag y, por tanto, el consumo. Como apunte, para ángulos de la luneta trasera mayores de 15 grados, se incrementa la resistencia aerodinámica debido a las líneas de flujo.

McLaren Speedtail. Fuente: McLaren Automotive

A falta de pan, buenas son tortas (o no)

Si a un motor que está diseñado para usar gasolina de 95 octanos, se le alimenta con una de 98 octanos, éste no tiene porqué sufrir daños. Sin embargo, en el caso contrario, diseñado para 98 octanos y alimentado con 95, el motor podría sufrir un fallo catastrófico. ¡No es necesario que lo probéis en vuestros coches!

Surtidor de combustible. Fuente: Repsol

No es oro todo lo que reluce

La válvula EGR presente en los vehículos diésel permite disminuir la concentración de NOx (Óxidos de Nitrógeno), gases extremadamente nocivos para el ser humano. Sin embargo, como contrapartida, aumentan las emisiones de HC (Hidrocarburos) por reducirse la temperatura de la llama.

El fin justifica los medios

La disposición de los cilindros en los motores actuales (en línea, estrella, V, W, etc) depende de multitud de factores, pero los más influyentes son: equilibrado de fuerzas y pares, compacidad y facilidad de refrigeración. Por lo general, veremos motores de mayor potencia con configuraciones en V o W y configuraciones en línea para el resto.

Motor 4.2 V8 de Audi. Fuente: Audi

Divide y vencerás

¿Cuál es el criterio para que un coche sea tracción delantera o trasera? El motivo principal es el espacio disponible y el reparto de pesos, aunque hay otros que dicen que los coches de tracción trasera dan más sensación premium pues se suele reservar a vehículos de alta gama. Marcas generalistas como Renault, Peugeot o Fiat cuentan en sus filas con vehículos de tracción delantera porque sus motores son compactos: 3 o 4 cilindros y 1 o 2 litros de cubicaje. Esto permite que el espacio disponible en la zona delantera para montar el conjunto sea más que suficiente. Sin embargo, en marcas como Mercedes o BMW, vemos vehículos con tracción trasera o incluso total. La ventaja de esto es que liberas espacio en la zona delantera, permitiendo obtener mayores grados de giro. Podéis fijaros que un Mercedes-Benz gira más que un Dacia, por ejemplo.

¡Os invito a que nos contéis vuestras inquietudes sobre aspectos del mundo del motor a través nuestras redes sociales!

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