La Fisica del Automovil, Velocidad

El automovil es un medio de transporte, y nada mas, intentar convertirlo en una maquina de velocidad es posible, pero requiere de equipos especiales, y por supuesto, de carreteras especiales para practicar esta actividad, intentar usar un auto GT con equipo convencional en una avenida o carretera no diseñada para la alta velocidad, no es una cuestion de emocionante valor, es un acto de estupidez.

La velocidad en un auto, significa una sola cosa, una relacion potencia-peso , una gran potencia y un bajo peso usualmente dan como resultado una gran velocidad, y una gran velocidad usualmente significa problemas de control, debidos a la gran inercia del vehiculo, de ahi la tendencia a "endurecerse" del volante, ademas de los riesgos de colision, el mundo es muy diferente a altas velocidades, donde se presentan fenomenos que no son muy visibles a las velocidades a las que estamos acostumbrados, por ejemplo, una curva, no suele significar gran cosa a una baja velocidad, pero a mas de 100 km/h la Velocidad centripeta puede sacar de la carretera a un conductor inepto, mas por el simple hecho de que las curvas se diseñan para una velocidad dada, observese que las curvas son casi planas en la ciudad, pero las curvas de un circuito de carreras pueden estar inclinadas hasta 60°, para compensar la fuerza centrifuga de un vehiculo a alta velocidad.

POTENCIA

Hablemos primero de la potencia, esta es dada por un buen motor, es lo mas importante en un vehiculo, porque es la Energia fundamental, sin ella, no hay movimiento, usualmente se mide en caballos de fuerza  y su consecucion es un problema mas de ingenieria que de Fisica, tiene que ver en un delicado equilibrio entre combustibles, ciclos de combustion y eficiencia, se puede llegar a ella con motores muy eficientes o con combustibles especiales.

PESO

Ya tenemos la Fuerza para mover nuestros autos, ahora hay que ver que vamos a mover, claro que no es lo mismo mover una pluma que una montaña, la cantidad de materia importa, a esto lo llamaremos masa, y entre menos sea, mas podemos usar nuestra potencia, asi que hay que sacar todo lo que no sirva en el auto, y de preferencia usar una carroceria tan ligera como sea posible, de preferencia con materiales compuestos superligeros.

AERODINAMICIDAD

Y claro, la carroceria debe de ser aerodinamica para aprovechar la Velocidad del viento para mantener nuestro vehiculo estable, un buen diseño es fundammental, (ves porque un GT comun no sirve).

INERCIA

Un cuerpo en movimiento tiende a permanecer en movimiento, de hecho un auto a muy alta velocidad adquiere una inercia enorme, para modificar su movimiento es necesario aplicarle una Fuerza igualmente descomunal, por ejemplo la fuerza de un auto de 1000 km a 30 km/h (la velocidad normal en la ciudad), puede calcularse de la ecuacion:

F=mA

F Fuerza

m masa

A Aceleracion (dV/dt)

Y es de alrededor de 833 N, una fuerza manejable desde el volante, pero a 150 km/h, es de 4166 N, necesitarias ser Hercules para controlar el volante a esa velocidad, es por ello que los aviones de combate usan servomotores en las superficies de control, para multiplicar la fuerza del piloto y controlar el aparato.

Y la inercia de un vehiculo juega en tu contra, porque al trabarse el volante, el auto queda abandonado a las fuerzas de su alrededor, si la carretera es dispareja, un bache, un tope, una deformmacion o lo que sea, puede sacarte de la carretera y volcarte, (el famoso efecto brincacorcholatas), de ahi la necesidad que tienen los circuitos de carreras por superficies completamente planas, para poder controlar este factor.

Pero no es el ultimo efecto de la Inercia, tu auto tardara en reaccionar ante cualquier orden que le des, si aplicas los frenos, tardara en detenerse completamente, asi a 40 km/h se frena en 18 metros, pero a 120 km/h la distancia de frenado es de 192 metros, hay que considerar que hay varios factores que alteran esto, si el vehiculo va mas cargado de lo normal (mas pasajeros, mas combustible, etc.) tardara mas en frenar, si no se reacciona inmediatamente, la distancia de frenado aumenta, y la peor de todas, con suelo humedo, la distancia de frenado aumenta potencialmente, asi a 120 km/h puedes tardar 235 m en frenar, (casi un cuarto de kilometro), de hecho hay una ecuacion de frenado, es un poco aproximada y establece que:

Df = V2/170

Df Distancia de Frenado

V2 Velocidad al cuadrado

170 constante de proporcionalidad

VELOCIDAD CENTRIFUGA

La velocidad no solo es una cuestion de ir hacia adelante, al conducir se presentan mas tipos de Fuerzas, una de ellas es la Fuerza Centrifuga, causada por una Velocidad lateral al conducir sobre una curva, efectivamente, cuando se conduce sobre una curva aparece una fuerza que nos empuja hacia afuera, esta esta determinada por la ecuacion:

Asi es, la velocidad se vuelve angular y surge una fuerza que nos saca de las curvas, pero es algo que los constructores de carreteras ya tienen planeado en sus diseños, y peraltan las curvas, esto es, les dan una inclinacion, por desgracia para muchos, el peraltaje depende de la velocidad y usualmente se calcula para una velocidad promedio baja, indicada en el señalamiento antes de iniciar la curva, para velocidades mas altas, ese peraltaje es insuficiente, es por ello que un conductor experto, baja la velocidad en las curvas, para ajustarse al trazado del camino, y claro esta, en la ciudad las calles no estan peraltadas, asi que correr a alta velocidad en ellas es muy poco juicioso.

Impulso

No hay que olvidar otro concepto, el Impulso, nuestro vehiculo siempre estara sometido a el, se define como:

I = mV

I es el Impulso

m es la masa

V es la Velocidad

Los autos tipo GT han sido diseñados con una velocidad de 40 km /h y un peso de 1000 kg en mente, y practicamente todas las especificaciones del vehiculo son para estas magnitudes, esto es resistencia de los materiales al impacto, eficiencia del motor, bolsas de aire, frenado y mucho mas, ir a mayores velocidades disminuye las prestaciones del auto, a 150 km/h, la capacidad de un auto para proteger a sus tripulantes se reduce a cero y es por ello que las autopistas han hecho modificaciones al seguro del usuario, ya no cubren vehiculos que viajen a exceso de velocidad.

Asi como se ve, manejar bien a altas velocidades no solo es cuestion de pisar un acelerador y mover un volante, como casi toda cuestion humana, es una mezcla de valor y conocimiento, hay que conocer bien lo que hacemos, para hacerlo bien 

Autor: Sergio Tellez Morales

La Fisica del Automovil, Aerodinamica

Desde los setentas ha habido una lucha por obtener mayor rendimiento en los automoviles, esto se ha conseguido por diferentes caminos, materiales compuestos mas ligeros, mejores combustibles, motores modernos y por supuesto mejores diseños, mas aerodinamicos.

Desde los treintas, en la aviacion se sabia que entre menor resistencia al aire tenga un vehiculo, mayor velocidad tendria, de ahi los anillos Towsend, la eliminacion de los trenes fijos y los fuselajes con curvas suaves para permitir un flujo suave alrededor del aparato. Poco a poco fueron descubiertos nuevos fenomenos, como la de los vortices de extremo o el empuje conformal, (que llevo a ver que las variaciones de presion, producen un empuje adicional, lo que llevo a diseños tan peculiares como los Marilyns).

Los fabricantes de autos, no estaban muy preocupados por el rendimiento, por mas de 60 años se interesaban mas por la apariencia, el diseño debia de ser muy atractivo, y de hecho, algunos automoviles de los cincuentas eran monumentos a la infuncionalidad. Fue la crisis del petroleo de los setentas la que cambio la industria, de repente el combustible se volvio la obsesion de todos, aumentar el rendimiento, sin importar nada mas; en una espiral que sigue hasta la fecha, aunque ya llegamos a un punto donde se diseñan autos para velocidades de mas de 100 km/h, y muchos de ellos ya no pueden circular a mas de 5 km/h por las calles de la ciudad.

Las nuevas carrocerias deben de tener la minima resistencia al aire, de ahi que los autos ahora esten formados de curvas suaves, se tuvo que decir adios a los radiadores cuadrados, superficies planas y demas articulos generadores de turbulencias.

La carroceria tuvo que hacerse mas pegada al piso, y es necesaria la generacion de una diferencia de presion para mejorar el agarre del auto al piso, esto es una especie de sustentacion a la inversa, la velocidad del viento V ejerce un efecto sobre presion P1, al comprimirse un flujo por la curvatura de la carroceria, se aumenta la presion, mientras que P2 permanece constante, asi que  provica una fuerza que empuja el auto hacia abajo, ayudandolo a mantenerse en el suelo a velocidades altas, de ahi que las carrocerias esten curvadas en la parte superior y sean bajas, ademas del uso de spoilers para desviar el flujo de aire.

En cambio el uso de spoilers en la parte trasera de un auto, tiene un sentido totalmente diferente, cuando el flujo de aire pasa del techo al maletero, se puede producir un gran efecto de turbulencia, mas si la caida es muy angulada o pronunciada, para evitar esto, se coloca un spoiler, que dosifica el flujo y lo vuelve suave.

Empuje conformal, si seguimos jugando con el viento y la forma, nos damos cuenta de que hay mas de una forma de aplicar presion, si en la carroceria se hacen concavidades, entonces sucede un nuevo fenomeno, la diferenecia de presion, P2 menor que P1, produce un empuje adicional, mas velocidad, con la misma potencia.

Y ahora que hemos hablado de velocidad y aerodinamicidad que hacen a un auto una eficiente maquina de velocidad, disfruta del embotellamiento de hora pico, mientras que vez como la anciana en andadera, rebasa tu deportivo y se pierde a la distancia.

Autor: Sergio Tellez

Nueva Tecnologia en helicopteros

El domingo los SEALs de la Marina dieron cuenta de Bin Laden, pero esa no es la noticia, los restos de una de las naves que usaron si lo son, de la unica foto que ha circulado se puede deducir que las Fuerzas Especiales estan estrenando helicopteros, que por supuesto son secretos, o lo eran, hasta que esta foto nos ha permitido dar una mirada al Estado del Arte en tecnologia de unidades de asalto.

Basandome en lo que se alcanza a ver esta es una nueva maquina, con un rotor de cola de helices cortas, lo que le obliga a girar a mas velocidad, para compensar la torca, sus pequeñas helices son de punta cuadrada, como las de C-130, lo curiosos, es que el eje no parece nada a lo que yo haya visto, por lo menos en helicopteros, pareciera que su eje es del mismo tamaño que la tapa, para hacer girar algo asi, se  necesita una gran energia, o muy poca friccion, parece una helice de aprovechamiento secundario de un NOTAR, o viendo mas atras, una helice entubada, parecida en concepto a la del Wyvern, pero por supuesto que sin sus complejidades mecanicas, abajo de ella se puede ver una rejilla, posiblemente de escape de flujo secundario de una turbina o de enfriamento, o posiblemente portadores de flares. Otro hecho curioso, usualmente los helicopteros americanos suelen tener el giro de sus aspas principales en la direccion de las manecillas del reloj y la helice de compensacion a puerto, mientras que la fotografia muestra claramente que la helice esta a estribor, como si compensara una torca negativa.

Es obvio que las tecnicas de construccion Stealth ( superficies planas, angulos predeterminados superficies amplias, aunque parecen demasiado anchas ), se han combinado con las nuevas tecnologias de supresion IR, (ese peculiar color Dopped Alluminium), la parte superior del timon fijo es muy reveladora, el material parece plastico, no ceramica, pero con lo que parece ser una piel inferior metalica o de algun material menos ductil. Los timones inclinados en forma de V moderada estan demasiado cerca del rotor, es posible que no sea la posicion normal, sino una deformacion del choque o un efecto optico por la posicion de la camara. Por sus dimensiones, parece ser que el helicoptero es mas pequeño que un Huey, por lo que sus motores deben de ser mas eficientes, para poder llevar una tropa decente, se me hace pequeño, podria ser el reemplazo de los Cayuse, con una pequeña dotacion de tropas, mas facil de detectar, y con menos bajas si lo tiran.

Por cierto, ¿que no tuvieron un par de granadas extras para volar las partes?, o tiene un nuevo combustible, notese la auscencia de partes quemadas, o derretidas, es obvio que las tropas salieron demasiado rapido, violando el principio de no dejar material delicado en manos no amigas. 

Autor: Sergio Tellez

El Avion Stealth

Crear un avion que pueda dar la firma radar tan baja como sea posible ha sido un sueño de la industria aeronautica desde principios de los cuarentas, y aunque hasta ahora ha probado ser un concepto ilusorio, ha habido buenas ideas en el camino y algunos aviones han logrado en buena medida cierto grado de invulnerabilidad.

El mas famoso de ellos es el F-117, un aparato de ataque subsonico con tecnologia de los ochentas, lo mas fascinante de esta vieja maquina, es su apariencia, en vez de presentar un frente como todos los demas aviones, su fuselaje esta formado en la parte del morro de placas planas alineadas a diferentes angulos, de tal forma que la radiacion de un Radar incidente es reflejada en ciertas direcciones, menos en la que el radar recibe, usando el viejo y conocido efecto de la Ley de Bragg:

En la cual n es el n-esimo ciclo de la longitud de onda incidente λ; d, es el espacio entre las capas y θ es el angulo entre la onda incidente y la reflejada; si bien se habia encontrado este fenomeno en Rayos X y Cristales, fue muy practico ajustarlo a las ondas de radar, que se comportan de forma muy semejante a la luz, y el fenomeno recuerda fuertemente al efecto Brewster, en el cual la luz incidiendo sobre un material dielectrico transparente es totalmente convertida en luz refractada perfectamente polarizada, sin reflexion.

Pero por supuesto, un avion no puede ser hecho de vidrio dielectrico, ¿o si se puede?, ni el radar es luz normal, asi que fue necesario hacer algo de investigacion, los materiales novedosos en la decada de los ochentas eran las ceramicas, asi que me imagino que lograron crear una ceramica especial en el frente del aparato, con la capacidad de absorber y dispersar la radiacion del Radar, la especial forma triangular del aparato y sus caras planas anguladas, son para "montar", las ondas esfericas del radar de mejor forma, de tal modo que siempre lleguen al mismo angulo y sean refractadas y reflejadas mejor, al ser un material ceramico, esto le permitiria lidiar tambien muy bien con la disipacion del calor producido al absorber tanta radiacion.

Las toberas estan especialmente diseñadas para dejar una traza irrelevante sobre el cielo, las rejillas permiten al flujo del motor enfriarse mejor, de ahi la necesidad de ser subsonico, en esos momentos la tecnologia no permitia ocultar un posquemador, de igual forma, todas las lineas rectas frontales han desaparecido del avion, las tapas de los trenes, el capacete de la cabina, el deposito de armas y otros, cuentan con un borde tipo sierra, que permite dispersar mejor la energia.

No pude la tentacion de jugar al angulo de Bragg con este modelo, e hice un pequeño experimento, me pare exactamente al frente del modelo y tome una fotografia con el flash al maximo, la luz simula al radar, y puede verse extraordinariamente reflejada en la pared blanca y en el bote de aluminio colocado como palero experimental, pero en cambio, la nariz del F-117 permanece totalmente opaca, sin ningun reflejo delatador, incluso el frente de las alas permanece sin ningun brillo y el unico que hay es de las rejillas del intake, pero es muy poco.

El F-117 debe de haber evolucionado mucho, sus sucesores deben de ser aparatos supersonicos y con formas diferentes, si es que el material del que esta construido absorbe la radiacion, o bien de la misma forma, pero con otras funciones, si es la forma la que permite la refraccion.

Autor: Sergio Tellez Morales

Adios a los Transbordadores

Ha llegado el fin de los transbordadores espaciales, este año se radiaran de servicio los tres transbordadores sobrevivientes, el Discovery, Endeveaur y Atlantis, que seran enviados a museos, si bien era necesario ya retirarlos del servicio, esto puede implicar el fin de la investigacion espacial, en uno de sus actos mas estupidos, el gobierno de Obama ha decidio cancelar el programa espacial, el nuevo proyecto por naves espaciales llamado Constellation, ha sido eliminado, el abastecimiento de la ISS sera efectuado por consorcios privados, usando la vieja tecnologia de misiles no reutilizables.

La idea de un Transbordador Espacial se estuvo cocinando por muchos años, los alemanes en la Segunda Guerra Mundial, pensaron en un bombardero estrategico orbital, que pudiese despegar de Alemania, volar en la estratosfera y llegar a Nueva York, de forma rapida, uno de los diseños fue el Arado E.555, en cierto sentido la idea de un transbordador era la mas logica, un avion cuyo techo de servicio fuese mucho mas alto, tanto que pudiera salir de la atmosfera,volar sin resistencia del aire en el espacio y volver a entrar a la atmosfera.

Las primeras investigaciones fueron por ese camino, el X-15 llego a una altura y velocidad extraordinarias, pero habia un defecto fundamental, el ascenso lento consume mucho mas combustible, para llegar a esas alturas, era mas eficiente el Cohete, como lo demostraron los alemanes con el V-2, con las aceleraciones mas altas, se podia llegar al espacio y asi se hizo, el programa espacial se centro alrededor de los cohetes, vinieron los Atlas, Nike, Redstone, y por sobre todos el Saturno V.

Pero pronto se noto cierto problema, la tecnologia del Cohete era desechable, una vez usado un costosisimo Saturno V, no se podia reusar nada, los costos eran enormes, si pudiese ser diseñado un sistema, que pudiese ser usado una y otra vez, se ahorraria mucho dinero.

En los setentas se llego a un diseño de compromiso, una nave espacial reutilizable, el Transbordador Espacial clase Columbia, el diseño era una mezcla de ambos sistemas, una nave que despegaria como cohete, pero cuyos tanques de combustible, pudiesen desprenderse y caer en paracaidas para se rellenados y usado otra vez, que pudiese regresar planeando como un avion, con alas que le diesen la sustentacion necesaria, porque no tendria motores convencionales, la idea era que fuese tan ligero como fuese posible al entrar a la atmosfera, sin casi combustible y capaza de aterrizar convencionalmente, y si bien no todo se consiguio, el concpeto del transbordador estuvo muy cerca.

El primer vuelo de un transbordador fue el 12 de abril de 1981, cuando el Columbia realizo el primer vuelo orbital, causando gran sensacion en el mundo, de hecho aun recuerdo que su despegue fue transmitido por la television mexicana, durante los siguientes años se fueron incorporando naves a la flota, hasta 1986, cuando el desastre del Challenger detuvo el programa y no se reanudo sino hasta dos años despues.

Si bien el sistema funcionaba bien, se reducia a vuelos suborbitales, casi todos de rutina, para mantener la flota de satelites o investigacion basica, el espacio profundo y la luna no estaban dentro de los proyectos de la NASA.

Ahora, la especie humana tiene la tecnologia para ir a otros planetas, pero no la voluntad, seguimos siendo una especie de un solo planeta, que se esta volviendo salvaje y nuestra supervivencia como especie no esta garantizada de ninguna forma.