martes, 22 de noviembre de 2016
Conclusión
En fin, después de haber mencionado algunos fenómenos físicos aplicados en la vida diaria, esperamos haberlos convencido de que la física es una de las ciencias más importantes para la humanidad, sin ella definitivamente no tendríamos los avances, infraestructura, materiales, deportes y demás cosas que tenemos hoy.
Así que cada vez que veas un puente, una carretera inclinada, un edificio o una carrera de la F1, recuerda que todo está rodeado de física y que no podría ser posible sin esta materia.
Así que te recomendamos poner atención y ponerte las pilas en esta materia, te dejamos un pequeño video exponiendo algunas situaciones de la vida diaria en donde la física está presente.
lunes, 21 de noviembre de 2016
Frenado y Aceleraciones laterales
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.
En la F1 el piloto pisa a fondo el pedal y después va liberando para conseguir la velocidad deseada.
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, los cuales tienen un diámetro exterior de 278 mm y un espesor máximo de 28 mm. Esto impone aceleraciones negativas de hasta 9 veces la de la gravedad sobre los pilotos de F1.
Por su parte las pinzas o callipers están fabricados completamente de aluminio, donde a partir de 2014 fue necesario integrar un sistema que permitiera recuperar la energía de los frenos al mismo tiempo que se controla la presión necesaria para disminuir la velocidad de forma controlada. Este sistema se denominó Brake by wire, que fue desarrollado para aviones militares y cazas, pero que ya es usado en coches comerciales de alta gama.
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 más bajo mejor), de la anchura máxima entre dos puntos extremos de las ruedas (mientras más ancho mejor) y, crucialmente, del coeficiente de fricción dinámico entre el compuesto de las llantas y el pavimento de la pista. La altura y anchura máxima (1.8m) del auto está regulada por la Federación Internacional de Automovilismo (FIA) y desde hace más de una década este organismo decidió que todos los autos deberían usar los mismos neumáticos para evitar ventajas extremas entre equipos por desarrollo de materiales especiales, lo que eliminaría el espectáculo de una competencia cerrada entre escuderías. Esto lleva a que un auto de F1 sea capaz de soportar aceleraciones laterales 4-6 veces mayores que las de un auto común.
En la F1 el piloto pisa a fondo el pedal y después va liberando para conseguir la velocidad deseada.
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, los cuales tienen un diámetro exterior de 278 mm y un espesor máximo de 28 mm. Esto impone aceleraciones negativas de hasta 9 veces la de la gravedad sobre los pilotos de F1.
Por su parte las pinzas o callipers están fabricados completamente de aluminio, donde a partir de 2014 fue necesario integrar un sistema que permitiera recuperar la energía de los frenos al mismo tiempo que se controla la presión necesaria para disminuir la velocidad de forma controlada. Este sistema se denominó Brake by wire, que fue desarrollado para aviones militares y cazas, pero que ya es usado en coches comerciales de alta gama.
Es una combinación del sistema de frenado hidráulico, pero controlado de manera electrónica. Solo se instala en los frenos traseros y lo que hace es medir la fuerza con la que el piloto presiona el pedal de freno, enviando esa información al ECU (Electronic Center Unit), el cual es el controlador de todas las funciones electrónicas del monoplaza, y determina cual es la cantidad de energía que se está recuperando y por tanto cuanta presión se debe ejercer en los frenos para que el reparto de frenada no se vea afectado por los sistemas de recuperación.
Por seguridad los sistemas de frenado delantero y trasero son independientes uno del otro. Mientras que el delantero funciona de manera mecánica, el trasero se activa de manera electrónica, para que en caso de que alguno de los dos falle, tengan el otro como respaldo que les permita evitar un accidente.
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 más bajo mejor), de la anchura máxima entre dos puntos extremos de las ruedas (mientras más ancho mejor) y, crucialmente, del coeficiente de fricción dinámico entre el compuesto de las llantas y el pavimento de la pista. La altura y anchura máxima (1.8m) del auto está regulada por la Federación Internacional de Automovilismo (FIA) y desde hace más de una década este organismo decidió que todos los autos deberían usar los mismos neumáticos para evitar ventajas extremas entre equipos por desarrollo de materiales especiales, lo que eliminaría el espectáculo de una competencia cerrada entre escuderías. Esto lleva a que un auto de F1 sea capaz de soportar aceleraciones laterales 4-6 veces mayores que las de un auto común.
Aerodinámica
La aerodinámica es el estudio del movimiento del aire y su interacción con los objetos, que a partir de su desplazamiento, generan que el aire de su ambiente entre en circulación.
Normalmente, si un carro cualquiera, se moviera a las velocidades de la F1, saldría volando por los aires, debido a la resistencia que el aire ejerce en dirección contraria a éstos. Sería mas o menos el efecto que el aire tiene en un avión al momento de despegar. El avión arranca a gran velocidad, y utilizando la posición de sus alas, aprovecha esa resistencia del aire para que le sea más fácil dejar tierra.
En cambio, los equipos de Fórmula 1, han invertido una gran cantidad de dinero en la investigación e innovación de técnicas aerodinámicas, que le permitan al auto generar una carga y mantenerlo adherido a la pista.
La pieza fundamental que evita que los autos de F1 salgan volando, es el alerón. Tanto el delantero, como el trasero, se encargan de darle una dirección al aire, que favorece la estancia del auto en el suelo tal como se ve en la imagen.
Hoy en día los alerones utilizan la misma técnica que las alas de un avión, solo que a la inversa. El aire fluye a diferentes velocidades en los 2 lados del alerón, generando una diferencia de presión.
Actualmente los equipos de la F1 han innovado sus técnicas aerodinámicas y han creado hasta lo que hoy conocemos como el alerón móvil, cuyo funcionamiento es explicado brevemente en el siguiente video:
Normalmente, si un carro cualquiera, se moviera a las velocidades de la F1, saldría volando por los aires, debido a la resistencia que el aire ejerce en dirección contraria a éstos. Sería mas o menos el efecto que el aire tiene en un avión al momento de despegar. El avión arranca a gran velocidad, y utilizando la posición de sus alas, aprovecha esa resistencia del aire para que le sea más fácil dejar tierra.
En cambio, los equipos de Fórmula 1, han invertido una gran cantidad de dinero en la investigación e innovación de técnicas aerodinámicas, que le permitan al auto generar una carga y mantenerlo adherido a la pista.
La pieza fundamental que evita que los autos de F1 salgan volando, es el alerón. Tanto el delantero, como el trasero, se encargan de darle una dirección al aire, que favorece la estancia del auto en el suelo tal como se ve en la imagen.
Hoy en día los alerones utilizan la misma técnica que las alas de un avión, solo que a la inversa. El aire fluye a diferentes velocidades en los 2 lados del alerón, generando una diferencia de presión.
Actualmente los equipos de la F1 han innovado sus técnicas aerodinámicas y han creado hasta lo que hoy conocemos como el alerón móvil, cuyo funcionamiento es explicado brevemente en el siguiente video:
Comparacion Auto F1 contra Autos Comunes respecto a la Fuerza y Potencia
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.
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.
Comparacíon auto F1 contra Autos comunes respecto a la Cinematica
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 y un BMW, éstas son menores que las que separan al mejor auto deportivo de calle (Porsche 911) de un auto de F1.
Expliquemos esto con cinemática, 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 el modelo de Porsche 911 es capaz de hacerlo en 3.8 segundos utilizando un motor híbrido 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.
Expliquemos esto con cinemática, 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 el modelo de Porsche 911 es capaz de hacerlo en 3.8 segundos utilizando un motor híbrido 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.
Fricción
Si alguna vez han visto alguna carrera de la Fórmula 1, se habrán dado cuenta, que los autos deben de entrar por necesidad a pits, al menos 1 vez en la carrera. Esto se debe al desgaste de las gomas en las ruedas de los autos, es casi imposible que una rueda aguante toda la carrera sin reventar.
El neumático es el punto de contacto entre la pista y el auto. La fuerza de fricción está presente entre la pista y los neumáticos y es de gran ayuda para que el auto se mantenga dentro de la misma.
En las zonas de curva, es donde esta fuerza es de más utilidad, pues los autos necesitan van a grandes velocidades de hasta los 350 kh/h. A esas velocidades, existe el riesgo de que el auto se salga de la pista. En estos casos, la fuerza de fricción dinámica presente entre la pista y los neumáticos, es indispensable para mantener el carro en la vía.
Al entrar a la zona de curvas, los autos necesitan desacelerar y acelerar de manera rápida en un plazo muy corto de tiempo. Es aquí cuando la fricción tiene mayor acción sobre las llantas, haciendo que se desgasten cada vez más, hasta llegar a un punto en donde es necesario entrar a pits y cambiarlas. De lo contrario, la llanta podría no aguantar más el roce de fricción, reventarse y generar un accidente en el que la vida del conductor estaría en peligro.
Es indispensable el estudio de la fuerza de fricción de las pistas, para hacer cálculos de la duración de las llantas y a partir de ahí, innovarlas en cuanto a su material y composición, para tratar de hacerlas más duraderas y entrar lo menos posible al área de pits.
El neumático es el punto de contacto entre la pista y el auto. La fuerza de fricción está presente entre la pista y los neumáticos y es de gran ayuda para que el auto se mantenga dentro de la misma.
En las zonas de curva, es donde esta fuerza es de más utilidad, pues los autos necesitan van a grandes velocidades de hasta los 350 kh/h. A esas velocidades, existe el riesgo de que el auto se salga de la pista. En estos casos, la fuerza de fricción dinámica presente entre la pista y los neumáticos, es indispensable para mantener el carro en la vía.
Al entrar a la zona de curvas, los autos necesitan desacelerar y acelerar de manera rápida en un plazo muy corto de tiempo. Es aquí cuando la fricción tiene mayor acción sobre las llantas, haciendo que se desgasten cada vez más, hasta llegar a un punto en donde es necesario entrar a pits y cambiarlas. De lo contrario, la llanta podría no aguantar más el roce de fricción, reventarse y generar un accidente en el que la vida del conductor estaría en peligro.
Es indispensable el estudio de la fuerza de fricción de las pistas, para hacer cálculos de la duración de las llantas y a partir de ahí, innovarlas en cuanto a su material y composición, para tratar de hacerlas más duraderas y entrar lo menos posible al área de pits.
La física en la F1
Ahora bien, hemos mencionado fenómenos en la vida cotidiana en los que la física se encuentra presente. Una de las aplicaciones más importantes e indispensables para nosotros, es la que se da en la construcción y funcionamiento de los medios de transporte. En este blog nos enfocaremos en los autos, en especial, en la Fórmula 1, un deporte lleno de velocidad, aceleración, fricción y demás temas relacionados con la física.
Lo que todos vemos como una simple carrera llena de adrenalina y emoción, se encuentra rodeado de física, pues a lo largo de los años, ésta ha sido fundamental para la evolución y el desarrollo, tanto de los autos, como de las pistas de carrera.
A continuación, presentaremos algunos de los temas físicos, envueltos en este deporte.
Lo que todos vemos como una simple carrera llena de adrenalina y emoción, se encuentra rodeado de física, pues a lo largo de los años, ésta ha sido fundamental para la evolución y el desarrollo, tanto de los autos, como de las pistas de carrera.
A continuación, presentaremos algunos de los temas físicos, envueltos en este deporte.
La física involucrada
Muchas veces nos preguntamos: ¿De qué nos sirven todos esos temas que vemos en física en nuestras vidas diarias?, sin embargo, la física, como ciencia, es indispensable para el humano y está presente todos los días en nuestras vidas. La física nos permite saber el por qué de algunos fenómenos y es una ciencia exacta, ya que se basa en la experimentación.
La física se encuentra presente en fenómenos de la vida diaria como:
- En el movimiento del péndulo de un reloj: Mov. harmónico simple
- Choques entre automóviles: Colisiones, conservación de cantidad de movimiento
- Velocidad o aceleración de un auto: Movimiento Rectilíneo Uniforme
- Construcción de un puente: Tensión, leyes de Newton
- Construcción de una carretera: Fricción del pavimento, peralte (inclinación)
Así como los fenómenos anteriores, existen muchísimos más, en los que la física es indispensable para que se puedan llevar a cabo correctamente y evitar situaciones en las que nuestras vidas puedan estar en peligro. Así que ya lo saben, cada vez que pasen por un puente, y este no se caiga, o por la carretera sin que su carro se salga de la vía, es gracias a la aplicación de la física al momento de su construcción.
domingo, 20 de noviembre de 2016
Evolución de la Formula 1
- La forma de los monoplazas: La “aparición” de la aerodinámica como punto diferenciador hizo que los Fórmula 1 cambiaran por completo.
- El tamaño de los propulsores: Los propulsores han pasado por casi todas sus configuraciones, de los enormes 8 cilindros en línea de mediados de siglo a los actuales V8 pasando por lo V12 o por lo compactos 4 cilindros turbo de principios de los ochenta.
- La disminución del cetro de gravedad.
sábado, 19 de noviembre de 2016
Introducción
Existen múltiples categorías de carreras de autos y estas se definen por la potencia usada en los motores de cada uno de ellas. En la F1, se usan los mejores coches con el mejor desempeño y la mejor eficiencia, diferenciándola de la otras categorías de carrearas de coches como la NASCAR, Formula Cart, entre otras.
En las ultimas décadas, el avance tecnológico que han tenido esto coches se ha debido a dos principales conocimientos: el de la física y el de la fisicoquímica. En este blog solo nos enfocaremos en los aspectos que ha aportado la física a la F1 como: la termodinámica, la cinemática, la dinámica de cuerpo rígido y la dinámica de fluidos.
En las ultimas décadas, el avance tecnológico que han tenido esto coches se ha debido a dos principales conocimientos: el de la física y el de la fisicoquímica. En este blog solo nos enfocaremos en los aspectos que ha aportado la física a la F1 como: la termodinámica, la cinemática, la dinámica de cuerpo rígido y la dinámica de fluidos.
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