Fórmula 1: ingeniería a 360 km/h

Velocidad, aceleración, rendimiento, seguridad. Son los puntos fuertes de un deporte, el de la Fórmula 1, que requiere del talento de decenas de ingenieros. El espectáculo es la cara vista de miles de horas de ingeniería, de una I+D que tiene su traslado posterior al sector de la automoción. Así se exprime una ingeniería para ponerla a 360 km/h.

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Fotografía: cortesía de AT&T Williams

Buena parte de un campeonato de Fórmula 1 se gana fuera de la pista, en lugares ocultos a la vista de las lentes de las cámaras y el público. Tras la pericia de los pilotos se esconde el duro trabajo de desarrollo de equipos compuestos, cada uno de ellos, por más de medio millar de especialistas en distintas disciplinas, desde la mecánica de motores, a los nuevos materiales, pasando por la aerodinámica, los sistemas de seguridad, los de frenada, los combustibles y lubricantes, los neumáticos y la electrónica e informática. Ingenieros y mecánicos exprimen su talento todos los días del año para poner a disposición de los pilotos la mejor herramienta para hacer su trabajo.

Los Fórmula 1 son hijos de la ingeniería industrial. De hecho, son los hermanos mayores de los automóviles convencionales y éstos heredan años más tarde algunos de sus avances, como por ejemplo en lo que respecta a los materiales, la seguridad o el rendimiento de los motores.

Fibra de carbono
Un monoplaza está compuesto de unas 11.500 piezas aproximadamente. La construcción de uno de estos bólidos comienza por la parte que más se ve, es decir, el cuerpo del vehículo. El material empleado en su elaboración es la fibra de carbono, porque combina ligereza con fortaleza y rigidez. La ligereza es una de las características más importantes, ya que siempre se intenta que el coche pese lo mínimo posible para poder lastrarlo luego en aquellas partes en las que sea más conveniente en términos de control del vehículo (normalmente el lastre se pone en la parte más baja).

La fibra de carbono se utilizó por primera vez en la Fórmula 1 en los años ochenta de la mano de Lotus y McLaren. Esta segunda firma adoptó la tecnología aeroespacial para la fabricación de estas piezas y posteriormente todos los equipos fueron incorporando y mejorando la técnica. Los Fórmula 1 producidos ahora están hechos de este material en un 75%. Hoy, tras probar distintas maneras de elaborar los chasis, éstos se fabrican en varias partes, en lugar de en un solo bloque, como antaño. La piel de los monoplazas está formada por dos multicapas de fibra de carbono con un panel de abeja realizado en aluminio entre una y otra; todo este conjunto se calienta y se comprime para obtener un material resistente y ligero. El grosor total de la piel de un Fórmula 1 es de unos 3,5 mm.

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Fotografía: cortesía de Panasonic Toyota

Esculpir un bólido
El sistema de fabricación de un chasis puede variar de una escudería a otra, pero básicamente se sigue un procedimiento que se desarrolló al comienzo de esta década. El primer paso es la obtención de las capas de fibra de carbono y aluminio. Una vez elaborados los materiales en forma de panel es el momento de conformarlos. Se cortan las piezas como si de un patrón de tela se tratara. Para ello, el departamento de CNC (Control Numérico Computerizado) posee unas máquinas que son capaces de realizar cortes exactos por ultrasonidos (pueden trabajar con la precisión de un micrón). Estas máquinas reciben los modelos por ordenador desde las estaciones de CAD de las ingenierías.

Las capas de fibra de carbono se impregnan con resina y se colocan en el interior de un molde. En total, se disponen hasta cinco capas cuidadosamente orientadas para que después el material aguante las tensiones a las que se verá sometido en carrera, introduciendo el conjunto en una bolsa de vacío.

La siguiente fase es meterlo todo en un autoclave. Esta máquina es capaz de originar una presión hasta diez veces superior a la presión atmosférica normal, con lo que las capas de fibra de carbono se adaptan perfectamente al molde. Además produce calor, con el que la resina se endurece a una temperatura de hasta 140 ºC. Cuando esta multicapa se enfría, se aplica más resina y el panel de abeja de aluminio y se vuelve a introducir todo en el autoclave.

Hay una tercera visita a esta máquina, a cuenta de la última multicapa de fibra de carbono, la que mira hacia el interior del coche. Las piezas así conformadas pasan por un proceso final, el ensamblaje de unas con otras, en el que se hacen algunos ajustes finales a mano.

El resultado de este largo desarrollo es el que se puede observar en estas páginas. Una superficie robusta y ligera, con la suavidad del plástico y la fortaleza de un metal, que es capaz de aguantar sin romperse una carga de hasta 12 t (el peso de dos elefantes) en su punto más fuerte, la entrada de aire situada por encima de la cabeza del piloto.

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Fotografía: cortesía de ING Renault

Túnel del viento

El chasis influye en muchos aspectos del comportamiento de un Fórmula 1, especialmente en la aerodinámica. Este factor es una de las claves principales para robarle décimas al cronómetro; por eso, su puesta a punto y el desarrollo de nuevos modelos más eficientes es una de las tareas primordiales de los equipos de ingenieros.

El comportamiento aerodinámico de un bólido se puede estudiar mediante modelos matemáticos muy complejos. Tan complejos que se deben usar potentes ordenadores, como por ejemplo el que utiliza BMW Sauber. Albert², que así se llama, tiene 256 nodos, cada uno con dos procesadores de dos núcleos Intel Xeon 5160.

También se realizan pruebas con maquetas en lo que se denomina un túnel de viento. Dentro de una cámara cerrada y monitorizada se genera aire a 360 km/h para estudiar la resistencia aerodinámica del monoplaza y la adherencia que se crea. Tener que construir un chasis completo cada vez que se hace una variación para poder probar el resultado sería caro, largo y complicado. Por tanto, los modelos de prueba tienen un tamaño menor (son aproximadamente la mitad de grandes que el conjunto definitivo) y están fabricados con un polvo de poliamida que se compacta con la ayuda de una máquina láser especial. El resultado es una maqueta estructuralmente más débil que el modelo verdadero, pero a efectos de pruebas aerodinámicas es igualmente válido.

Pegados al suelo
Los datos sirven para conocer de antemano los resultados de variar los componentes aerodinámicos del automóvil. El chasis no es lo único que influye en esta cuestión, también lo hacen los alerones delanteros y traseros. Estas piezas funcionan de manera parecida a cómo lo hacen las alas de un avión, si bien se diseñan para generar el efecto contrario, es decir, que el viento que pasa por ellas ejerza una fuerza descendiente que presiona el bólido contra el suelo.

Así se consigue que el monoplaza tenga una mayor adherencia a la pista, lo que es muy útil en las curvas. Por debajo, el bólido se construye justo al revés, como si se tratara de un ala de avión invertida, de forma que se cree una menor presión entre el coche y el suelo, logrando el efecto de que el coche quede más pegado a la pista.

Una aerodinámica que proporcione una mayor adherencia produce también una mayor resistencia al movimiento del vehículo, lo que conlleva una merma en su velocidad. Por eso ajustar los elementos aerodinámicos es esencial para obtener un balance idóneo entre velocidad y manejabilidad, pudiendo constituir la ventaja más decisiva en pista, especialmente desde que la FIA (la Federación Internacional del Automóvil) impuso reglas que limitan la potencia de los motores en los últimos años.

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Fotografía: cortesía de Panasonic Toyota

Las dos herramientas principales que se utilizan para ajustar la aerodinámica son los alerones delanteros y el alerón trasero. Los primeros no solo tienen la misión de generar una presión contra el suelo, sino también –al ser la primera parte del monoplaza que se enfrenta al viento–, de desplazar el aire y desviar las turbulencias que puedan afectar al resto del coche. El alerón trasero, por su parte, se encarga también de ejercer una presión descendente dos veces más fuerte que los alerones delanteros y proporcionan estabilidad y maniobrabilidad al vehículo.

Obra maestra
La ayuda que se obtiene con la aerodinámica es solo una parte de las claves para conseguir un bólido competitivo. El motor, una obra maestra de la ingeniería formada por unas 5.000 piezas, es otro de los principales ingredientes de la fórmula del éxito.

La FIA estipuló el año pasado que los motores no pueden superar el límite de las 19.000 rpm. Los materiales que se emplean también están limitados, en esencia al uso de aluminio y a determinadas aleaciones. Los motores tienen que ser de ocho cilindros en V con una inclinación de 90º y no es posible equiparlos con más de dos válvulas de admisión y escape en cada uno de ellos.

El peso mínimo del corazón de uno de estos vehículos es de 95 kg y se han regulado cuestiones como el centro de gravedad del motor, por ejemplo. Respecto al combustible que se consume, desde 1993 la única gasolina permitida es aquella idéntica en cuanto a componentes a la que se encuentra en las estaciones de servicio. En concreto, los Fórmula 1 utilizan gasolina sin plomo.

Los motores de todos los coches tienen unas características similares: 2.400 cc, con aspiración normal (sin turbo), que desarrollan una potencia de 730 CV y pueden superar velocidades de 360 km/h en la pista más rápida (Monza). Un corazón de león que a pesar de las restricciones de la FIA es factible mejorar.

Toma de aire
Aún queda algo de margen con el que se puede jugar, según declaraciones del equipo McLaren en la presentación de su nuevo bólido para la temporada 2008. Así, por ejemplo, los ingenieros siguen teniendo control sobre elementos como el sistema de combustible, la toma de aire (que se puede ver por encima de la cabeza del piloto y que está diseñada para regular el aire que entra en el motor) y algunas piezas que podrían alterar la forma de ubicar el motor en el chasis.

Además hay otras partes del sistema de impulsión que sí se mejoran e influyen en el rendimiento, como el sistema de escape. El tubo empleado para expeler los gases del motor debe estar diseñado con sumo cuidado, ya que es necesario que rodee y se adapte al motor –para no mermar la aerodinámica– y, a la vez, que las curvas que tenga no influyan negativamente en el flujo de gas. Haciendo equipo con el tubo de escape se encuentran los radiadores, que lo enfrían, para lo que se utilizan unos tres litros de refrigerante y diversas aberturas que posibilitan la entrada de aire.

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Fotografía: cortesía de Panasonic Toyota

Calzado para correr
Como se ve, hay otros muchos elementos en un Fórmula 1, además del chasis, como los alerones y el motor. Pero de todos los que quedan, las ruedas son las más importantes para llevar a un bólido directo al podio.

Hasta el año pasado las ruedas se fabricaban adaptándolas a las características de cada monoplaza y de cada circuito. Este año, por el contrario, el fabricante, que es Bridgestone, elegirá en cada carrera dos modelos de los cuatro posibles que creará. Ambos deberán ser usados por los pilotos a lo largo del evento. Por eso, en esta temporada la estrategia, la pericia del piloto y la buena elección de las ruedas en el momento preciso serán decisivos para alcanzar la meta en la mejor posición.

Las ruedas llevan hasta cien componentes en su fabricación. Su estructura está compuesta de poliéster y nailon. Su máxima eficiencia se consigue cuando alcanzan los 100 ºC de temperatura, por lo que es habitual ver cómo los pilotos maniobran en “eses” en determinadas ocasiones para conservar el calor. También es crucial la presión a la que se llenan las ruedas de aire, puesto que mínimas variaciones pueden afectar, y mucho, al comportamiento del vehículo, así como las diferencias de temperatura entre unas ruedas y otras, lo que impacta notablemente en la maniobrabilidad. En consecuencia, una de las vías de investigación en la mejora del rendimiento de los bólidos es el gas con el que se inflan las ruedas.

Gas en las ruedas
El escándalo del espionaje a Ferrari por parte de McLaren dejó al descubierto algunas de las mejoras puestas en práctica por la escudería italiana para hacer a sus coches más rápidos. Una de las cuestiones más trascendentales que se revelaron tiene que ver con las ruedas. O más bien con lo que hay en su interior.

En la Fórmula 1 se suele emplear nitrógeno en lugar de aire, pero Ferrari ha estado utilizando una mezcla de un compuesto denominado hidrofluorocarbono, que es parecido al gas que se usa en los frigoríficos y sistemas de aire acondicionado. Inflando las ruedas al 50% con este gas y al otro 50% con CO2, se consigue disipar mucho mejor el calor de las gomas y se aumenta su durabilidad.

Hay otras muchas cuestiones que pueden marcar la diferencia entre un coche ganador y el segundo de la tabla, desde los sistemas de suspensión, a la transmisión; pero las ruedas, la aerodinámica y el motor son, sin duda, los elementos clave. No obstante, existe un cuarto componente, el piloto, que no se puede desarrollar en un banco de pruebas, pero que influye notablemente en los resultados y también en los reglajes del monoplaza.

De todos modos, de los desarrolladores sí que depende dotar a sus campeones de la mejor herramienta que les pueden brindar, una ingeniería que cada día acepta nuevos retos.

Para saber más:

La sala del huracán
La única manera de probar la aerodinámica de un Fórmula 1 es estudiando cómo penetran las formas del coche en el viento y el efecto que éste produce sobre el monoplaza. Y el modo más controlado de hacerlo es soplando sobre una maqueta exacta del bólido. Para ello se utiliza lo que se conoce como un túnel de viento; un elemento muy empleado desde hace décadas en la automoción y en otros sectores como el de la edificación. La gran diferencia es que el viento que debe pasar por el monoplaza supera al que experimenta cualquier otro coche, debido a la alta velocidad que alcanza. Los túneles que se usan para la Fórmula 1 son del tipo de circuito cerrado, los mismos que se hacen servir en aplicaciones industriales de gran envergadura.

El sistema se apoya en un ventilador que recircula el aire por un conducto especialmente diseñado para que no se formen turbulencias en las esquinas y para controlar la presión que se genera sin que ésta se dispare. Con ello se consigue generar vientos de hasta 360 km/h. El coche no permanece estático en la sala cerrada y controlada que forma parte del túnel, sino que sus ruedas se mueven a unos 300 km/h gracias a unos rodillos situados bajo el monoplaza a fin de que su movimiento genere las turbulencias que se producen en la pista en condiciones reales y que afectan al rendimiento aerodinámico total.

Monoplazas más verdes
Max Moseley, presidente de la FIA (Federación Internacional del Automóvil), se ha empeñado en que la Fórmula 1 sea algo menos impactante para el medio ambiente. Por eso para la temporada 2009 ha propuesto la introducción de un sistema que permitirá ahorrar algo de emisiones de gases a la atmósfera. Se trata del KERS, el Kinetic Energy Recovery System (sistema de recuperación de energía cinética). Consiste en un avance que aprovecha la energía que se genera cuando se frena el coche. El sistema, que están desarrollando entre las firmas Xtrac y Torotrak, utiliza un volante de inercia que conserva parte de la energía que se disipa en la frenada y la devuelve cuando el piloto la necesita. Con este progreso, los Fórmula 1 serán un poco más limpios, pero además se mejorará la aceleración en determinados momentos, por ejemplo, a la salida de una curva para efectuar un adelantamiento.

Tecnología acelerada
Una unidad electrónica de control (ECU) es un dispositivo que se encarga de la gestión de varios elementos de la mecánica del Fórmula 1, lo que incluye la aceleración del motor. Gracias a la electrónica es posible asignar distintos comportamientos a la pisada del acelerador. A diferencia de los utilizados en los coches convencionales, el acelerador de un bólido no estimula al motor, sino a un sistema electrónico que tiene la misión de interpretar la pisada en función de los parámetros que se le hayan asignado.

La ECU también tiene como cometido la gestión de las marchas, además de embragar y desembragar cada vez que recibe una señal de las palancas accionadas desde el volante del piloto. La ECU dispone, a su vez, de un sistema que evita que el motor se cale, una medida que se toma para evitar que un monoplaza pueda quedar detenido en la pista. Además, este dispositivo también se ocupa de la gestión del diferencial, lo que evita el deslizamiento y la inestabilidad del vehículo al tomar las curvas, ya que permite que las ruedas giren a velocidades distintas según queden fuera o dentro del giro.

A partir de 2006, la FIA impuso importantes limitaciones en los motores, así como a su uso en las carreras durante la temporada, y finalmente decretó la congelación en el desarrollo de los motores durante los diez años siguientes (un periodo que luego se ha reducido a un lustro). Por eso la atención de los constructores en los últimos tiempos se ha concentrado mucho más en la aerodinámica y en los neumáticos. Aunque actualmente la carrera por motores más potentes se ha paralizado, eso no quiere decir que se haya descuidado una pieza tan fundamental.