La Química en la Fórmula 1: Las ventajas de los nuevos materiales

Ayer domingo fue la primera carrera del mundial de Fórmula 1 2018, siendo éste un deporte muy condicionado por la ciencia, especialmente por la física. Pero que nadie piense que es la única ciencia que influye, ya que la química es igualmente muy importante. Vamos a verlo...

¿Cómo cambiaron los materiales en la Fórmula 1?

Si comparamos los coches de la primera temporada con los coches actuales las diferencias son obvias. Además de las diferencias en alerones, aletines, cámaras de televisión, antenas, etc. las diferencias son mucho más internas.

Robert Manzon en un Gordini en la primera temporada de F1(1950)
https://www.motor.es/formula-1/muere-robert-manzon-ultimo-superviviente-de-la-primera-temporada-de-formula-1-201519669.html

Uno de los materiales que ha cambiado radicalmente la F1 es la fibra de carbono, introducido en 1982, un material que ha sustituido totalmente la carcasa metálica de los coches, aligerando los coches en una proporción muy importante. Este material tecnológicamente muy avanzado (y muy caro) tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. Es todo esto que la fibra de carbono permite mejorar los coches, debido a que a menos peso, mayor aceleración con la misma fuerza (y más aceleración hace que ganes carreras aunque sea caro). Además, al tener una resistencia al impacto mucho mayor que otros materiales metálicos que se usaban (como el aluminio) supone un aumento en la seguridad del piloto. Aún así, el hecho de utilizar carrocerías metálicas hace que se absorba parte del impacto debido a la deformación del metal, mientras que la fibra de carbono simplemente se pulveriza.

En este video se comenta como la fibra de carbono ha modificado los monocascos de los coches y, en el minuto 1:35, muestra cómo se destroza el morro de un F1 a 54 km/h (aunque en los choques importantes superan los 200 km/h). La idea del video es apreciar las diferencias entre los impactos producidos en una carrocería metálica (como en un coche de calle) o en una de fibra de carbono. El resto del video está narrado por uno de los responsables del equipo Mercedes del año 2012 y por Nico Rosberg, campeón del mundo de la temporada 2016.

Otro material importante, y también fabricados en carbono, son los discos de freno. Estos discos deben frenar un coche de mínimo 620 kg de 300 km/h a menos de 80 en menos de 100 m. Esto supone convertir una cantidad enorme de energía cinética en calor. Estos frenos de carbono, a diferencia de los frenos metálicos de la calle, funcionan a partir de 300ºC, pudiendo alcanzar en grandes frenadas los 1200ºC, volviéndose incandescentes, pudiendo verse en las retransmisiones.

Frenos del Ferrari de Alonso al rojo vivo (2014)

Si tienes más dudas sobre los frenos, te dejo un video donde Toni Cuquerella te comenta, durante su estancia en el equipo español HRT cómo son los frenos de un F1 y cómo se comportan.

Otros materiales relacionados estas últimas temporadas con la F1 son las baterías eléctricas que cargan el MGU-K y el MGU-H, dos recuperadores de energía en forma de energía cinética y calor, respectivamente, que se almacena en baterías y puede ser utilizada durante unos segundos durante la vuelta por unos motores eléctricos que aportan un extra de potencia al monoplaza.

Estas baterías son de ión litio, igual que las que se utilizan en los teléfonos móviles o en los portátiles, pero de mucha más capacidad (mínimo 4MJ). Aún así, los cables utilizados son unos conductores geniales y las pérdidas minimizadas. Aquí os dejo un artículo donde lo comentan con mucho más detalle.

Por último, y probablemente el más importante, es el compuesto de los neumáticos, ya que es la única parte en contacto directo entre el coche y el asfalto. Estos neumáticos deben ser lo suficientemente blandos para poder amoldarse al asfalto para ofrecer el máximo rozamiento (para mejorar las frenadas y las aceleraciones) pero no hacerlo de manera exagerada ya que frenaría el coche. Además, unas ruedas demasiado blandas se destrozarían debido a las fuerzas y el calor soportados, sin contar las fuerzas G que soportan en las condiciones actuales y que hacen que, muchas veces, vibren dentro de la llanta.

Rueda de F1 vibrando
(Sky Sport, Formula 1)

Como nunca llueve a gusto de todos con estos temas, actualmente los pilotos pueden elegir entre 3 compuestos de distinta dureza para usar, teniendo que usar obligatoriamente dos distintos a lo largo de la carrera. Esto condiciona de manera clave las estrategias de los equipos, ya que un compuesto más blando puede ser un poco más rápido pero se degrada mucho más rápido también, haciendo que haya que parar más a cambiar las ruedas; mientras que un compuesto más duro es un poco menos rápido pero dura mucho más tiempo en pista, lo que muchas veces supone que sea mejor. Estas estrategias dependen del desgaste de cada coche, de la agresividad de los pilotos, de la facilidad de refrigeración, de los 3 compuestos elegidos de entre los 5 posibles que ha creado Pirelli para esta temporada (y que a algunas carreras ha llevado auténticas piedras y a otras ruedas como nubes de gominola). Estos juegos de neumáticos son limitados por fin de semana (entrenamientos + clasificación + carrera), por lo que nuevamente la estrategia de neumáticos (realmente de los compuestos utilizados, he ahí la química) es clave en este deporte.

Así que para terminar podemos concluir que la F1 no es únicamente física, energías, aceleraciones, aerodinámicas y destrezas de equipos y pilotos a 300 km/h, sino que la parte de química que esconde la F1 es muy amplia y decisiva en este deporte. No he entrado a comentar otro tipo de compuestos clave como los combustibles, de máxima eficiencia y mínima densidad o de los aceites y refrigerantes empleados para los motores a 15000 revoluciones por minuto (aunque algunas partes puedan llegar al medio millón, como el turbo). Si tenéis curiosidad en alguno de esos temas sólo tenéis que preguntarlo aquí o en Facebook y lo comentaremos entre todos.

Hasta aquí el post de esta semana de The Call of Chemistry dedicado a un deporte que mezcla de manera magnífica tecnología, ciencia y espectáculo.

Nos vemos la semana que viene!

Cuídate!

Actualidad en Química: ¿Qué es un kilogramo y que va a ser dentro de poco?

Hoy vamos a hablar de "actualidad científica" comentando un tema que no muchos conoceréis: qué es un kilogramo, cómo se mide y que va a pasar con ese kilo en los próximos meses. Vamos a verlo con detalle:

¿Qué es un kilogramo?

El kilogramo, por definición, son mil gramos (gracias Captain Obvious) pero también se define como la masa (que no el peso) de 1000 cm³ de agua pura (un litro, vamos) a 4ºC (en el punto que tiene mínima densidad). Esta definición está concebida para poder ser medida "universalmente" pero en realidad el kilogramo está definido como la masa de un cilindro metálico hecho de una aleación de platino (90%) e iridio (10%) que tiene una altura y un diámetro de 39 milímetros. Este cilindro se encuentra en Sèvres, cerca de París, en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (Bureau International des Poids et Mesures). El problema es que, a causa de los caprichos de la química, hasta un cilindro hecho de platino e iridio puede cambiar de masa con el tiempo.

Por estas razones, todas las unidades básicas (no derivadas de otras, como por ejemplo los km/h) han sido o van a ser redefinidas respecto a su definición inicial, allá por el siglo XIX, con la intención de que su valor pueda ser determinado con más precisión en algunos casos y, en otros, que la medida pueda ser reproducida en cualquier lugar (en muchos casos con instrumental muy sofisticado). Voy a hacer un repaso rápido de las unidades elementales y de los cambios que se van a realizar (o en algunos casos se han realizado) de sus definiciones originales.

Kilogramo (unidad de masa)

Ya he comentado que el kilogramo está definido por un cilindro metálico pero algunos de los prototipos oficiales diseñados a imagen y semejanza de este han ganado hasta 50 microgramos (millonésimas de gramo) en un siglo a causa de la incorporación de moléculas. Pero a partir de la próxima Conferencia General de Pesos y Medidas esto no tendrá importancia: el kilogramo se definirá a través del equilibrio de Watt con su precisa balanza, un experimento que permite comparar la energía mecánica con la electromagnética a través de una corriente y una masa, valiéndose de un láser. Dado que las unidades que definen la corriente eléctrica y el voltaje están definidas en función de constantes fundamentales (velocidad de la luz y constante de Planck), la unidad de masa quedaría también definida en función de constantes absolutas, siendo definido el kilogramo con gran precisión.

Kelvin (unidad de temperatura)

La unidad de temperatura del Sistema Internacional, el Kelvin (no el grado Kelvin), está relacionada con la temperatura y la presión con la cual el agua, el hielo y el vapor de agua coexisten en equilibrio (1/273.16 veces del punto triple del agua, un buen tema para un próximo post). El Kelvin se establecerá a partir de la velocidad del sonido en una esfera resonadora llena de gas en unas circunstancias controladas mediante termometría acústica.

Amperio (unidad de corriente eléctrica)

La definición moderna del amperio, establecida desde 1948, depende de un experimento imaginario en que se genera una fuerza entre dos hilos infinitos al hacer pasar por ellos una corriente eléctrica. En la nueva definición, el amperio será definido por la corriente eléctrica a través de una bomba de electrones superenfriada, que puede medir la carga de un único electrón.

Mol (unidad de materia)

Actualmente, el mol está definido como el número de átomos de carbono 12 (6 protones + 6 neutrones) presentes en 12 g de carbono. Ese número de átomos vendría definido por el número de Avogadro, N_A (6,022·10²³). Esta unidad será redefinida a partir de una esfera de silicio-28 en la que se contarán sus átomos mediante difracción de rayos X.

Segundo (unidad de tiempo)

Esta unidad ya cambió su definición en la década de los sesenta, a partir de la aparición del reloj atómico. En primer lugar se definió como 1/230400 veces el tiempo de rotación de la Tierra (24 h/dia · 60 min/h · 60 s/min = 230400 s/dia). En el año 1967, los relojes atómicos basados en cesio habían conseguido fiabilidad suficiente como para que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas eligiera la frecuencia de vibración atómica como nuevo patrón base para la definición de la unidad de tiempo físico. Según este patrón, un segundo se corresponde con 9 192 631 770 ciclos de la radiación asociada a la transición hiperfina desde el estado de reposo del isótopo de cesio-133, siendo ésta la medida aceptada. La precisión de esta medida es tal que los relojes atómicos, como máximo pueden desviarse un segundo en 3700 millones de años.

Metro (unidad de distancia)

Al metro ya le pasó lo que le va a pasar próximamente al kilogramo, existía una vara de platino e iridio en Sèvres, en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, que fue sustituida por la 
definición actual basada en la distancia recorrida por la luz. En primer lugar, en 1795, se definió el metro como la diezmillonésima parte de la distancia del Polo Norte al ecuador pasando por París (ya que puedo hago que me pase por la puerta de casa, normal). Después, en 1889, para tener una referencia se creo la barra de iridio y platino que hemos comentado y, finalmente, en 1983, se definió el metro como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299 792 458 de segundo (casi ná).


Todos estos datos fueron publicados en la revista Nature, donde podréis ver dibujos y más detalles de cómo se van a realizar todas estas medidas (el motivo de no ponerlos aquí es de copyright). Ha habido muchos términos que pueden ser susceptibles de un próximo post (punto triple del agua, estructura hiperfina, el mol, difracción de rayos X, isótopos, etc) y si queréis que desarrolle alguno en un próximo post, por favor dejádmelo en los comentarios ⇩, aquí o en Facebook.


Nos vemos pronto.
Cuídate!