La Fisica Y El Automovilismo

Todos conocemos lo que son los autos de carreras, la mayoría de nosotros a través de la TV. Existen múltiples categorías de autos de carreras y éstas se definen, principalmente, por la potencia de los motores usados en cada una de ellas. Los autos con el mejor desempeño y mayor eficiencia son los que compiten en la categoría de Fórmula 1 (F1). Lo que la mayoría de la gente no conoce es que para lograr el desempeño extraordinario de los F1, la industria ha utilizado e incorporado durante mas de 6 décadas conocimientos que involucran cinco áreas de la física: la termodinámica, la cinemática, la dinámica de cuerpo rígido, la dinámica de fluidos y la ciencia de materiales. Sin embargo, y este resulta un aspecto crucial, no podemos descartar tampoco los avances impresionantes que ha aportado la fisicoquímica de materiales avanzados en lo que concierne al desarrollo de las llantas (mezclas de polímeros especiales), del chasis y de la celda que protege al piloto. Como el lector puede imaginarlo, se trata de un tema muy amplio y con muchas vertientes, así que en esta entrega nos centraremos solamente en algunos pocos aspectos de la aplicación de la física a la F1.

Para empezar y poner al lector en contexto, es útil tener un punto de comparación que nos permita apreciar mejor lo que significa el desempeño extraordinario de los autos de F1. Para los constructores de autos el desempeño involucra cinco aspectos: aceleración máxima, desaceleración máxima, velocidad máxima, aceleración lateral máxima y seguridad para el piloto. Para comparación usaremos los autos que nos son familiares, y aunque podemos pensar que existen grandes diferencias entre un Tsuru taxi y un BMW, éstas son menores que las que separan al mejor auto deportivo de calle (digamos un Porsche 911) de un auto de F1. Expliquemos esto con una cantidad cinemática crucial, la aceleración que puede alcanzar un auto. Los autos modernos promedio son capaces de llegar a los 100 km/h en 8-10 segundos partiendo del reposo en una carretera plana al nivel del mar (ya que la presión del oxígeno en la atmósfera juega un papel muy importante para la eficiencia del motor), mientras que los deportivos más caros pueden hacerlo en 5-6 segundos, aunque existe un modelo de Porsche para calle (cuyo valor se acerca al millón de dólares) que es capaz de hacerlo en 3.8 segundos utilizando un motor híbrido (eléctrico/gasolina) turbocargado. Actualmente un auto de F1 (que no puede ser turbocargado por regulación) es capaz de acelerar de 0-100 km/h en 1.7 segundos, de 0-200 km/h en 3.8s y de 0-300 km/h en 7.8 s. Para comprender mejor lo que estas cifras significan, es útil saber que 100 km/h equivale a 36 m/s y que la aceleración de la gravedad (g) aumenta la velocidad de un objeto 9.8 m/s por cada segundo de caída (es decir, g=9.8 m/s2). Esto nos permite calcular la aceleración de un F1 en unidades de g: 2.1 veces la gravedad durante los primeros 100 km/h y 1.9 veces g durante los primeros 4 segundos. Estas son aceleraciones que nos dejarían mareados y fuera de control a la mayoría de nosotros. Si recordamos la segunda ley de Newton, F=ma, que nos dice que la fuerza F es igual a la masa (m) de un objeto por la aceleración (a) a la que es sujeto, resulta evidente que para lograr una mayor aceleración es necesario optimizar dos cantidades, maximizar la fuerza que se le aplique (haciendo mas potente el motor) y simultáneamente disminuir su masa. 1 Newton es la fuerza capaz de acelerar un kg cambiando su velocidad 1m/s cada segundo. Aquí introducimos la cantidad crucial que usan todos los constructores de autos, conocida como la relación peso/potencia.

La potencia es la cantidad de energía que se gasta por unidad de tiempo y se mide en Joules/segundo; esta es una cantidad familiar para todos pues corresponde a un Watt. Así que la relación peso/potencia de un auto nos dice cuánta masa tiene que acelerar cada unidad de potencia del motor. La masa se mide en kg y la potencia (por razones históricas) se mide en caballos de fuerza (HP o Horsepower en inglés), con la equivalencia 1HP= 745.7 Joules/segundo o Watts. Aquí podemos regresar a nuestra referencia de los autos comunes, que pesan entre 1000 y 1700 kg, con motores de 110 a 180 HP, con lo cual podemos obtener un promedio de alrededor de 10 kg por caballo de fuerza para la relación peso/potencia de los autos actuales de calle. Este cociente explica porqué un auto barato con poca masa (1000 kg) y poca potencia (100 HP) es capaz de acelerar casi tan rápido como un auto mucho más caro, con más masa (1700 kg) y casi el doble de potencia (180 HP). La aceleración increíble de un auto de F1 se explica por el mismo principio, con una masa de alrededor de 600 kg (al principio de la carrera con el tanque de combustible lleno) y una potencia de 750-800 HP, lo que nos lleva a un cociente de menos de 1kg/HP.

Ahora resulta pertinente mencionar que si un F1 es capaz de alcanzar en pocos segundos los 370 km/h, dado que las carreras se llevan a cabo en circuitos especiales, es necesario poder frenar el auto con mucha rapidez para negociar las curvas al final de las rectas. Esta es otra de las características extraordinarias de los F1, ya que pueden lograr desaceleraciones desde los 340 km/h a 90 km/h en menos de 2 segundos utilizando frenos con discos hechos de fibra de carbono puro. Esto impone aceleraciones negativas de hasta 9 veces la de la gravedad sobre los pilotos de F1. La aceleración lateral máxima, que es la que define qué tan rápido se puede tomar una curva, depende de la altura del centro de gravedad del auto (mientras

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