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¿Cómo funciona el nuevo KERS y el sistema brake-by-wire?

Retomo en el blog la costumbre de artículos técnicos de F1, justo ahora que hemos pasado el ecuador de la competición. Probablemente incluso la gente poco o nada aficionada a esta competición haya escuchado que este año ha habido un cambio grande en los motores: ¡YA NO HAY MOTORES!

Lo que se da ahora en la competición son unidades de potencia (Power Units), que están compuestas por un motor de combustión con turbocompresor, dos partes de recuperación de energía (MGU-H y MGU-K) y unas baterías. Esta nueva configuración del motor tiene sus consecuencias en la normativa en cuanto a penalizaciones por cambiar partes de motor, pero eso no nos interesa ahora.

De manera muy simple, el antiguo KERS es el equivalente a MGU-K, el cual consigue la energía a partir de la frenada del coche. El MGU-H consigue la recuperación de energía a partir del turbocompresor. Precisamente, lo que quiero en este artículo es explicar cómo se genera esa energía en el MGU-K. Es decir, nos deberían de surgir estas preguntas (aunque no todas estén correctamente planteadas):

- ¿Qué energía de la frenada usamos?

- ¿En la frenada, no se consume menos energía que en la aceleración?

- ¿Cómo se transforma el calor de la frenada en electricidad?

Vamos por partes:



El MGU-K puede funcionar como generador o motor, las cuales son opciones contrarias. En un caso, ese aparato genera energía y en el otro la consume. En la frenada concretamente, funciona como generador. La unidad de potencia y la parte eléctrica es de los mayores secretos de las escuderías durante cada año, pero veamos cómo trabaja:

La clave es que el MGU-K sólo se conecta al eje del cigüeñal del Formula1 durante la frenada. En otros momentos no hay unión mecánica. El MGU-K podemos considerarlo como un motor eléctrico: estos elementos normalmente están compuestos por un rotor y un estátor (ambos concéntricos).


El rotor es un elemento giratorio mientras que el estátor es fijo. El rotor está formado por un entramado de bobinas que atraviesan los campos magnéticos de los imanes que hay colocados a lo largo del interior del estátor, y como cualquier estudiante de Física básica debería saber, un conductor que atraviesa campos magnéticos variables es atravesado por una corriente. Es decir, el rotor estaría generando una corriente eléctrica y ésta sería la que se almacene en las baterías del Formula1. Como podéis ver en imágenes reales de este elemento, sí que se parece al dibujo superior:



El tren trasero del Fórmula hace girar el rotor: es decir, el rotor aporta un par resistivo y ayuda a acortar la frenada del Formula1.

Hasta aquí hemos explicado brevemente el MGU-K cómo recupera la energía de frenada. Pero su influencia en la frenada no ha terminado, ya que ahora hay que hablar del sistema brake-by-wire. Éste hace referencia a que no existe unión mecánica entre el pedal y la presión que se ejerce sobre los discos de freno, sino que la presión de frenado se calcula electrónicamente. De esta manera, una pisada del piloto no frenará lo mismo siempre, sino que variará. ¡Vaya lío!

Vamos a intentar decirlo más claro: al pisar el pedal, se genera una pequeña señal eléctrica que llega a la centralita del vehículo. En función de la presión de frenada, la velocidad, etc, la ECU calcula un tipo de presión que la bomba de líquido de freno realizará. Y ahora viene la parte en la que relacionamos con el sistema de recuperación de energía:

La normativa FIA establece claramente el límite de energía que se puede recuperar por vuelta mediante el MGU-K. Por lo tanto, hay un límite por el que este elemento puede funcionar como generador. Mientras el MGU-K no haya llegado al límite de su energía, hay una válvula (comandada por la ECU) que se encarga de reducir la presión de frenado. Sin embargo, cuando se ha alcanzado el limite impuesto por la FIA esta válvula ya no funciona, y los pilotos al frenar podrán ejercer una mayor presión, lo cual puede hacer que bloqueen las ruedas traseras con mucha más facilidad. 

A todo esto, hay que añadir el repartidor de frenada del que ya hablamos hace un tiempo por aquí. No es seguro, pero es posible que esto de que cada vez frenamos con una fuerza distinta sea la razón principal para el aparatoso accidente que hubo en la salida de la primera carrera de la temporada, donde Massa se comió a un monoplaza al llegar a la primera curva.

Por último, aquí tenéis un vídeo de Brembo explicando el sistema de frenado de este año:



Fuentes
 
 



Newton y sus cálculos de vuelo

Isaac Newton fue el primer científico que se propuso realizar una teoría del drag y lift (resistencia aerodinámica y sustentación), y ésta le sirvió para predecir que volar era matemáticamente imposible. Más bien, que el ser humano nunca construiría algo que permitiera volar. 

¿En qué cálculos se basó? Básicamente empleó esta ecuación:


donde L es la sustentación, y es igual al aire que golpea en una superficie que está inclinada. α indica el grado de inclinación, ρ la densidad del aire y U la velocidad en m/s. A partir de esa expresión, llegó a que la sustentación vale (pág 288 para más info):


Es decir, para Newton el vuelo era fruto de las moléculas de aire golpeando en el fonde una de superficie y que por su ley de acción-reacción, esa fuerza elevaría el objeto. Es el procedimiento por el cual una piedra rebota sobre la superficie del agua, por lo que a menudo se denomina a este error histórico skipping stone theory. Las lagunas que tenía este modelo están resumidas aquí.

Le salían valores de sustentación bajísimos, e incluso su teoría estuvo apoyada por otro científico que tradicionalmente le llevó la contraria, como D'Alembert. Concretamente, este francés en 1752 realizó unos cálculos que le llevaron a formular la paradoja de D'Alembert, la cual decía que un cuerpo moviéndose a velocidad constante en un fluido incompresible y no viscoso, no tenía resistencia aerodinámica. Sin embargo, tal y como se ha demostrado en los siglos posteriores, también se equivocaba.

Newton realmente lo que calculó fue el agua que golpea a una tabla de surf. La relación entre la densidad del agua y el aire es de 1000, y por lo tanto volar en el aire requiere unas 30 veces más de velocidad que hacerlo en el agua.

No fue hasta que los hermanos Wright en 1903 hicieron el primer vuelo a motor de la historia que los matemáticos corrigieron la fórmula de Newton, aunque en esta ocasión, tampoco fue estrictamente la fórmula correcta.

Para comprender la explicación correcta de vuelo de manera sencilla, recomiendo pasar por el blog de @emulenews y leer sus dos entradas Bernouilli no explica por qué vuelan los aviones y El efecto Coanda en una cuchara y cómo funciona el ala de un avión







Ciudad 30 ó 50

Es posible que la ciudad en la que viváis hayan impuesto el límite urbano de velocidad en 30 km/h para todo tipo de vehículos, en lugar de los tradicionales 50 km/h. Eso ocurre en la ciudad del que escribe, por ejemplo.



Según parece, esta iniciativa proviene de la Comisión Europea y es una iniciativa ciudadana recogida en 2012. Más información aquí. Esta información y los beneficios de esta iniciativa están ampliados en páginas dedicadas a ello, como http://es.30kmh.eu/, donde viene más información sobre la iniciativa.

Algunas de las ventajas que se abanderan a la hora de defender esta iniciativa son:
 - no tener que invertir grandes cantidades de dinero para llevarla a cabo
 - mejora de la seguridad del peatón en la ciudad
 - ahorro del consumo en ciudad
 - reducción de la contaminación
 - descenso del nivel de decibelios

En algunas ciudades, como en la mía, a estas ventajas han añadido la de convertir las carreteras en carriles bici aprovechando la reducción de velocidad. Pero también me ha tocado pasar muchas horas pensando en iniciativas de tráfico y su gestión, y este artículo del blog va de ello. La idea del límite a 30km/h se basa en la idea de que reducir el límite de velocidad en vía urbana tiene los mismos efectos que reducirlo en autopista, pero se demuestra (según el modelo matemático empleado) que algunas emisiones por ejemplo pueden multiplicarse (fuente).

Una de las científicas de referencia que tenía en mi bibliografía era Eva Ericsson, investigadora en Suecia. Realmente no se centraba en el modelado de motores, sino en la relación entre las variables de conducción y los hábitos de los conductores. De sus trabajos se sacan algunas conclusiones interesantes. Sin embargo, no debemos perder de vista que el modelado de emisiones y consumo de un vehículo no es nada sencillo y no hay una ciencia exacta al respecto (fuente). Y menos si tenemos en cuenta vehículos de distinta antigüedad, hábitos de cada conductor, tipo de recorrido que lleva, mantenimiento del vehículo, etc.

Además, realizar estudios válidos y rigurosos sobre tráfico es bastante complejo. Se necesita analizar una gran casuística y con un número grande de voluntarios. Para realizar experimentos válidos es muy habitual emplear los ciclos de conducción, de los que ya se habló en este blog hace un tiempo (1 y 2).

Para comenzar, adjunto una gráfica sobre la relación entre emisiones contaminantes y velocidad media de un vehículo ligero (tal y como dice la fuenteaverage speed emission functions for a typical light-duty catalyst equipped vehicle).


En general, vemos que aumentan con la velocidad. Sin embargo, las revoluciones del motor también afectan enormemente al consumo y emisiones. Es decir, si asumimos que un conductor circula a 4.500 rpm a 30km/h y otra persona a 1.800 rpm a 50km/h, tendrá muchísimo peor rendimiento la primera opción. Pero no todo se simplifica a esta frase: la ciudad 30 solo es efectiva si circulas en la marcha correcta. NO.

Los mapas motor de los vehículos son tridimensionales, y al binomio RPM - Consumo de combustible, tenemos que añadir la carga sobre el acelerador (cuánto pisamos). Un ejemplo de esa gráfica son las siguientes:




Y este mapa 3D es distinto para cada motor. Por lo tanto, para poder comparar entre la bondad de un límite de velocidad u otro habría que tener en consideración estos tres factores a la hora de ver consumo de combustible y emisiones.

Hay una excepción a esto, y es que el párrafo anterior se cumple para velocidades inferiores a 60 km/h, ya que a partir de esta velocidad el factor más determinante en el consumo de combustible es la resistencia aerodinámica. ¿Cuál es la conclusión de todo esto? No tengo argumentos técnicos para afirmar que a 30 km/h se vayan a reducir las emisiones y el consumo de combustible sin realizar un estudio detallado de una zona urbana... pero tampoco los tienen los gestores que implantan la Ciudad30.

Como se puede imaginar, en un entorno urbana con tantos tramos de conducción transitoria, acelerones, semáforos, peatones... es bastante difícil realizar un estudio concluyente. Es por estas razones por las que se echa mano de simuladores de conducción, donde sí que se pueden controlar mucho más fácilmente variables como la carga sobre el acelerador, y es difícil estimar el impacto de las políticas de tráfico, tal y como cita este artículo. Además, lo que ocurra en una zona urbana en un país en particular no tiene por qué ser extrapolable a otro, ya que depende de bastantes parámetros y de la intervención del factor humano.

Este estudio, por ejemplo, afirma que it is unlikely that imposing strict speed limits in urban areas has a significant influence on emissions of NOx or CO2 (fuente).

En este artículo de The Guardian hay pros y contras de estudios realizados en zonas distintas y su influencia sobre los accidentes. O este otro estudio muestra datos de congestión de ciudad que hay que tener en cuenta.

Al final de este artículo dejaré más enlaces con estudios referentes a la influencia de distintas variables en la conducción. Sin embargo, no puedo terminar el artículo sin agradecer a @GuilleAlfonsin su ayuda y contribuciones.




http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId=627123&fileOId=1266930
http://www.tft.lth.se/fileadmin/tft/dok/KFBkonf/1ericsson.PDF
http://www.epa.gov/ttnchie1/conference/ei20/session8/acattivera.pdf
http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/111111111/22474/1/co2_report_jrc_format_final2.pdf
http://www.monash.edu.au/miri/research/reports/muarc276.pdf
https://www.vito.be/Lists/ScientificOutput/Attachments/3239/58808845.PDF
http://www.tft.lth.se/fileadmin/tft/dok/KFBkonf/1HoglundNiitymeki.PDF
http://acrs.org.au/files/arsrpe/RS010036.pdf


 
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