- Los materiales que componen un monoplaza de F1 son fundamentales para garantizar la seguridad de los pilotos.
- El cockpit, la cabina del piloto, funciona como un chaleco salvavidas porque está compuesto, en su mayoría, por carbono-carbono.
- El zylon, que suele sustituir la fibra de carbono, aporta más capacidad de almacenar energía.
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A 280 kilómetros por hora, un piloto de un Fórmula 1 (F1) soporta aceleraciones que superan varias veces la fuerza de la gravedad en algunos momentos. Esto equivale a la aceleración que vive un astronauta cuando despega un cohete.
A esa velocidad, un accidente puede ser mortal. Sin embargo, los incidentes en la máxima categoría del automovilismo ocurren y los pilotos se salvan, como Robert Kubica en el GP de Canadá 2007.
Después de salirse de la pista, a 280 kilómetros por hora, el monoplaza de Kubica quedó totalmente destrozado, excepto el cockpit, la cabina en la que viaja el piloto.
Salió por su propio pie de un vehículo convertido en chatarra y agradeció al papa Juan Pablo II su salvación: “Fue Juan Pablo, él me salvó”.
Kubica no se acordó de la tecnología, en el límite de lo posible, que convierte el cockpit de un F1 en un escudo que ya hubieran querido los vikingos.
El cockpit como chaleco salvavidas
Kubica pudo salvar su vida gracias a los materiales compuestos, especialmente carbono-carbono: el principal material con el que se fabrican los chasis de los monoplazas. La escudería McLaren fue la pionera en su uso, a finales de la década de 1990.
La fibra de carbono es un material muy ligero, pero de forma individual puede alcanzar resistencias mecánicas equivalentes a las acero. Embebida en una matriz, también de carbono, la fibra puede absorber mucha más energía que el acero antes de romperse.
Un material compuesto de fibra de carbono puede tener una resistencia a la tracción tres veces superior a la de un buen acero (3.5 GPa frente a 1.3 GPa), pero con la ventaja de ser seis veces menos densa (1.75 g/cm³ frente a 7.9 g/cm³). Esto le da una resistencia específica de 2 GPa frente a 0.17 GPa del acero.
En un material compuesto, un entramado de fibras rellena una matriz. Con esta configuración, cuando se produce una grieta, su propagación se ve obstaculizada y el material es capaz de soportar mucha energía antes de romperse.
La fibra sintética más fuerte
Nuevas fibras de tipo aramida como el zylon (que también se usan, por ejemplo, en chalecos antibalas) sustituyen en ocasiones a la fibra de carbono. Estos nuevos materiales aportan más capacidad de almacenar energía.
Fernando Alonso salvó su vida de milagro en el GP de Australia tras sufrir un accidente a 310 kilómetros por hora. Si el piloto asturiano puede vivir para contarlo es gracias al zylon, un material más resistente que el acero.
Este evitó una tragedia en la curva tres del Albert Park porque es capaz de absorber toda la energía en un golpe a pesar de que se descomponga con el impacto.
Actualmente, el zylon se considera la fibra sintética más fuerte hecha en laboratorio.
Los frenos son un prodigio tecnológico
Cuando vemos una transmisión de F1, los comentaristas hacen mucho hincapié en la temperatura de los frenos. Si no es la apropiada, la eficacia se ve disminuida. Este comportamiento lo gobiernan leyes vinculadas a la disciplina científica conocida como tribología.
Un material entra en contacto con un contra-material y a causa de la fricción se produce la frenada. Estamos frente a lo que se llama un sistema tribológico, en el que importan los materiales que están en contacto, la temperatura, la humedad y la superficie de contacto.
La diferencia en unos grados de temperatura puede determinar que una zapata del freno se desgaste en unos segundos o en muchos minutos. Además, esa velocidad de degradación del freno se puede modificar en función de las condiciones ambientales.
Los conocimientos que nos proporciona la ciencia de materiales son fundamentales para poder prever las mejores condiciones de supervivencia frente a las condiciones extremas de funcionamiento de un freno de un F1 (aceleraciones o decelaraciones de 5G), que también están hechos de compuestos carbono-carbono (al igual que los frenos de aviación, introducidos en la década de 1980 por el equipo Brabham).
Se pueden ganar o perder carreras por culpa del desgate de los frenos.
Los neumáticos y la tribología
El sistema neumático-pista también es un sistema tribológico. El desgaste (vinculado directamente al agarre) de los neumáticos depende de los materiales de los que están fabricados. Sin embargo, también depende, y mucho, de la temperatura y condiciones ambientales.
Una mala elección de neumáticos ha sido la razón de grandes desastres, con consecuencias nunca positivas, en carreras de la máxima categoría.
Aquí, de nuevo, gobiernan los materiales compuestos (o mejor aún, estructuras compuestas), donde sobre una base de caucho (distintos cauchos) se utilizan bandas de acero de refuerzo.
La dureza del caucho base es la que determina el comportamiento del neumático y como consecuencia la adherencia del vehículo a la pista.
No tener en cuenta la dureza de la pista, la temperatura o la humedad en la elección del neumático puede producir un desgaste acelerado y una pérdida total de adherencia. Y, consecuentemente, la pérdida de puestos en una carrera.
Aluminio, titanio y acero para el motor
En un motor de F1 encontramos metales de muchas familias: aluminio en el bloque motor, titanio en los pistones, acero en el cigüeñal.
En un motor convencional de un automóvil nunca (salvo en algunos vehículos de alta gama) encontramos titanio, por su elevado costo y por el efecto pernicioso que puede tener.
Puede provocar problemas de corrosión: el titanio, al ser un elemento muy “noble” hace de cátodo frente al acero o el aluminio, provocando la degradación de estos.
La corta vida de un motor de F1 hace que primen las necesidades de fiabilidad y resistencia frente a posibles problemas de corrosión. No obstante, en la búsqueda de controlar el peso, podemos encontrarnos con aleaciones de magnesio (más ligero aun que el aluminio); o en la dirección totalmente contraria, wolframio para hacer de contrapeso y poder cumplir regulaciones.
También podemos encontrar recubrimientos cerámicos para optimizar el rendimiento. La cerámica permite temperaturas de trabajo superiores y una mayor optimización del ciclo térmico.
Un motor de F1 es un laboratorio de pruebas de materiales, donde unos van reemplazando a otros en función de su comportamiento a fatiga, temperatura de trabajo, fiabilidad. Laboratorio que permite exportar sus avances a los vehículos de serie.
Cuando un motor se rompe y hay que sustituir una pieza, por compleja que sea, hoy la tecnología de materiales permite poder reemplazarla en unas horas gracias a la fabricación aditiva (impresión 3D) de metales. Una vez más, el laboratorio de materiales exporta tecnología.
Si hoy pensamos en cuáles son las fuerzas motrices que mueven el diseño y desarrollo de prototipos de bólidos de F1, podríamos decir que son la sostenibilidad y la seguridad. Fabricamos coches que pesan y consumen menos, pero manteniendo o mejorando prestaciones y nunca olvidando la seguridad del piloto.
Ya hemos hablado de la seguridad que confieren los nuevos materiales a los chasis que evitan daños al piloto cuando choca a elevada velocidad. Sin embargo, no olvidemos los avances en el desarrollo de materiales ignífugos que permiten que el fuego no llegue a dañar la piel de un piloto durante muchos segundos en caso de incendio.
Autos que funcionan al límite de la tecnología gracias a los materiales. Autos rápidos, sostenibles y seguros.
Este artículo se publicó originalmente en The Conversation.
*The Conversation es una fuente independiente y sin fines de lucro de noticias, análisis y comentarios de expertos académicos.
*José Manuel Torralba es catedrático de IMDEA MATERIALES en la Universidad Carlos III de Madrid.
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