Análisis Técnico – Arco antivuelco – Roll Hoop

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El deporte del automovilismo puede ser una práctica muy peligrosa, a veces incluso mortal. Con este porcentaje, un pequeño desajuste, error o, en algunos casos, la mala suerte puede ocasionar heridas muy graves. Algunas personas tienen la ‘suerte’ de coquetar con la muerte y escapar ilesos. Otros, por desgracia, no.

Una estructura antivuelco diseñada de forma apropiada es un paso enorme que incrementa la seguridad del piloto exponencialmente. Por el mismo motivo, una jaula antivuelco mal diseñada y fabricada puede llevar al desastre absoluto.

A veces el objetivo de la innovación en Fórmula 1 no es la de perseguir el mejor rendimiento, sino más bien la seguridad. La seguridad de un piloto es el aspecto más importante que hay que considerar en el diseño de un coche de competición y, especialmente en un coche que tenga la cabeza del piloto al descubierto – como los cockpit de F1.

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El diseño principalmente de estas estructuras antivuelco está estrictamente guiado por una serie de normas de la FIA, y más importante, debe cumplir una serie de pruebas que rigen una fabricación, un diseño y unas pruebas de impacto de seguridad que se describen en el Reglamento Técnico de Fórmula 1 2014:

Artículo 15: Construcción de un monoplaza.

15.2 Estructuras antivuelco:

15.2.1 Todos los monoplazas deben llevar dos estructuras antivuelco que están diseñadas para ayudar a prevenir daño alguno al piloto durante un evento en el que coche dé la vuelta sobre sí mismo.

La estructura principal debe estar, al menos, 940mm por encima del plano de referencia y 30mm detrás del cockpit. La segunda estructura se situará por delante del volante, pero no más de 250mm del mismo, posicionado en cualquier lugar.

Las dos estructuras antivuelco debe tener la suficiente altura que asegura que el casco del piloto y su volante estén al menos a 70mm y 50mm respectivamente por debajo de la línea dibujada entre los puntos más altos.

15.2.2. La estructura principal debe pasar una prueba estática de carga cuyos detalles se encuentran en el Artículo 17.2. Además, cada escudería debe aportar cálculos detallados que claramente muestren que la estructura es capaz de soportar la misma carga cuando se aplica el componente longitudinal en una dirección hacia adelante.

15.2.3. El punto más alto de la segunda estructura no debe exceder de 670mm por encima del plano de referencia y también ha de pasar un test de carga estática detallado en el Artículo 17.3.

15.2.4. La estructura antivuelco principal debe tener una sección mínima cerrada transversal de 10000m², en proyección vertical, a través de un plano horizontal de 50mm por debajo de su punto más alto. El área así establecida no debe exceder de 200mm de longitud o anchura, y no puede ser inferior a 10000mm² debajo de este punto.

15.2.5. La segunda estructura antivuelco debe tener una sección mínima cerrada transversal de 10000mm², en proyección vertical, a través de un plano horizontal de 50 mm por debajo de su punto más alto.

Artículo 17: Pruebas antivuelco.

17.1. Condiciones aplicables para llevar a cabo una prueba antivuelco:

17.1.1. Se puede usar goma de 3mm de espesor entre las almohadillas de carga y antivuelco.

17.1.2. Todos los picos de carga se aplicarán en menos de 3 minutos manteniéndose durante 10 segundos.

17.1.3. Durante la carga aplicada, la deformación será menos de 25mm en caso de la estructura principal y 50mm en caso de la estructura secundaria, medida a lo largo del eje de carga y cualquier fallo estructural estará limitado a 100 mm por debajo de la parte superior de la estructura antivuelco cuando se mide verticalmente.

17.1.4. Cualquier modificación significativa que se introduzca deberá someterse a una nueva prueba.

17.2. Pruebas para la estructura principal antivuelco:

Una carga equivalente a 50 kN lateral, 60kN longitudinal en una dirección hacia atrás y 90kN en vertical, se aplicarán a la parte superior de la estructura a través de una almohadilla plana y rígida que tendrá 200mm de diámetro siendo perpendicular al eje de carga.

Durante esta prueba, la estructura antivuelco deberá estar unida a la célula de supervivencia que se apoya en su parte inferior sobre una superficie plana, fijada a la misma a través de los puntos de montaje del motor y con una cuña lateral por cualquiera de las almohadillas de las pruebas de carga estáticas descritas en el artículo 18.2.

17.3 Pruebas para la estructura secundaria antivuelco:

Una carga vertical de 75kN se aplicará a la parte superior de la estructura a través de una almohadilla plana y rígida que será de 10mm de diámetro y perpendicular al eje de carga.

Durante la prueba, la estructura de vuelco deberá estar unida a la célula de supervivencia que está fijada a una placa horizontal plana.

Los altos niveles de seguridad que están regidos por la FIA, especialmente en Fórmula 1, se ha convertido en una imagen de marca. Durante los 64 años de historia, la FIA ha realizado un gran trabajo mejorando la seguridad de los pilotos, mirando, constantemente, por mejorar aún más la seguridad de todos los involucrados en la Fórmula 1.

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Una de las primeras y más importantes medidas de seguridad que se introdujeron en el deporte fue la barra principal antivuelco en 1961. En 1968, la FIA decidió que esa barra antivuelco debía estar por encima del casco del piloto, al menos, 50mm. En 1976, la segunda estructura antivuelco delantera pasó a ser obligatoria. Siendo en 1999 donde la norma mejoró la seguridad del piloto aún más mediante la imposición de la nueva distancia entre la línea que conecta la estructura principal y la secundaria de 70mm.

Desde entonces, los equipos han llevado al límite este diseño asegurando que la estructura principal antivuelco sea lo más ligera posible, con la mínima influencia aerodinámica, pero asegurando que sigue dotando de la máximo protección al piloto en un caso de vuelco.

Los procedimientos utilizados en Fórmula 1 son ‘semicuantitativos’ combinando el Análisis de los Elementos Finitos (FEA) con ensayo y error. La aplicación de un análisis numérico puramente teórico no es posible debido a que los detalles estructurales y de materiales no suelen estar disponibles.

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En lugar de ello, los ingenieros que trabajan en el FEA llegan a mejores conclusiones siendo capaces de crear distintos escenarios en los que se ponen a prueba la capacidad de resistencia con distintas cargas de aplicaciones. Una vez realizado este paso, las pruebas se llevan a cabo en prototipos que representan los componentes a validar en el modelo real proporcionando datos más precisos.

Para corroborar estas pruebas de error siendo lo más cortas posibles, los equipos de F1 emplean variadas herramientas software con el fin de cumplir los requisitos mínimos estructuras y asegurar la masa mínima mientras siempre de acuerdo con las necesidades y normas aerodinámicas.

Se emplea software de optimización como OptiStruct durante el proceso de diseño y desarrollo para ayudar a reducir las iteraciones y el tiempo que se necesita en diseñar un componente peso ligero y robusto.

Debido a que la estructura antivuelco principal está en el punto más alto de un coche de Fórmula 1, es muy importante asegurarse que la masa de la misma vale lo mínimo, ya que puede tener un impacto significativo sobre el centro de gravedad y centro de balanceo del coche y, como consecuencia, un efecto negativo sobre el manejo del coche. El peso de estas estructuras están en torno a los 2-5kg de masa dentro del componente.

En Fórmula 1, el diseñador y aerodinamista de un monoplaza toman la mejor decisión sobre el boceto que contendrá la estructura antivuelco. La distribución óptima del material dentro del espacio de diseño se calcula mediante la optimización de la topología y la FEA, siendo la fibra de carbono o materiales como el titanio o magnesio, los elementos escogidos para la fabricación de este componente.

El uso del carbono ha permitido a los equipos reducir el peso alrededor de un 15% aun pasando los test de impacto y seguridad. Sin embargo, todavía se utilizan materiales metálicos en su producción.

La estructura secundaria no se puede observar a simple vista porque se construye dentro del chasis monocasco del coche. No obstante, las escuderías agregan una pequeña aleta en la parte superior de la misma para aumentar la altura de la línea imaginaria que une la estructura estabilizadora delantera y principal.

La estructura antivuelco de un Fórmula 1, además de estar diseñado para proveer de protección a la cabeza del piloto, también actúa como entrada de aire, por tanto, ha de diseñarse con un aspecto aerodinámico. Con un mal diseño, este elemento puede destruir completamente el trabajo que hace el flujo en el alerón trasero.

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Es por ello que durante las temporada 2010 y 2011, algunos equipos dieron un paso más allá en el boceto de esta región del coche. Uno de los más llamativos fue el Lotus T128 que, ante la falta de entrada de aire común, instaló una cuchilla en su lugar, utilizando un diseño similar al del Mercedes W01 de 2010 que daba mayor libertad al flujo en su transcurso hacia la zaga, colocando la refrigeración del motor V8 en una zona más baja al cumplir con las exigencias de la normativa.

Poco después del Gran Premio de España de ese mismo año se plantearon preguntas acerca de la seguridad del concepto y finalmente fue reubicado a su posición habitual haciendo alusión al Artículo 15.2.4.

Lotus T128.

Muchos tomaron esta prohibición como completa, pero Mike Gascoyne y su equipo de ingenieros pensaron de forma diferente, ya que el Lotus T128 de 2011 cumplía perfectamente con la normativa vigente.

Pero estas cuchillas no son nada nuevo en Fórmula 1. Su primera aparición fue en 1985 en el Arrows A8, Ligier JS25, RAM 03 y Brabham BT54, a pesar de que el concepto tuviera una corta vida desapareciendo a mediados de 1986.

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Para los roadster deportivos abiertos, estas cuchillas se han vuelto más común. En 2006, tanto Audi como Courage Competition siguieron esta estela en sus prototipos de Le Mans. Hoy en día, monoplazas como el Aston Martin AMR One LMP1 de 2011 o el Audi R15 TDT LMP1 de 2010 usan este concepto.

Claro ejemplo de la utilidad que tienen estas estructuras son los accidentes que tuvieron Felipe Massa y Esteban Gutiérrez en el Gran Premio de Alemania y Bareín 2014 respectivamente, que de no ser por ellas hubieran acabado trágicamente.

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Sin embargo, accidentes, como el muelle de 1kg que golpeó el casco de Felipe Massa, rompiéndolo, en el Gran Premio de Hungría 2009 o el fatal fallecimiento del hijo del mítico campeón del mundo John Surtees, Henry Surtees, en Fórmula 2 en Brands Hatch en 2009 al golpearle una rueda en la cabeza tras un accidente, pudieron ser evitados. La FIA ya ha evaluado protecciones de policarbonato estilo aviones de combate para ofrecer una mayor protección al piloto.

Después de diversas pruebas, estos escudos resultaron defectuosos en varios casos. Los principales problemas de estos cristales era la nula visibilidad ya que en carrera van recogiendotoda la suciedad del trazado.

Un parabrisas de policarbonato de 30mm de grosor desvía la rueda, pero termina haciéndose añicos; mientras que un protector de un jet de combate correctamente fabricado puede causar problemas de visión en términos de visión distorsionada, exceso de peso – añaden mucho peso variando considerablemente el centro de gravedad del coche – el acceso del piloto al monoplaza o la extracción de un piloto en caso de accidente.

La estructura ‘roll-hoop’ que fabricó Lotus fue la más efectiva hasta el momento. Las últimas pruebas que envolvían el uso de una estructura de titanio colocado justo en frente del conductor, en el que una rueda de 20kg de Fórmula 1 se disparaba a 225km/h, recibió bastantes comentarios positivos.

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La FIA hizo pruebas lanzando neumáticos de 20kg al centro del habitáculo a 225km/h además desde otros ángulos manteniendo la rueda fuera del alcance del piloto con éxito desinflando el neumático en el proceso obligando a la rueda a que no rebote tanto deteniéndose antes sin causar mayor peligro.

El reto principal de los ingenieros de Fórmula 1 será producir una estructura que proteja la parte delantera de un piloto, permitiéndole la completa visibilidad.

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Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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