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La simulación en la Fórmula 1, explicada mediante la ciencia

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La simulación en la Fórmula 1, explicada mediante la ciencia
27 jul. 2020 6:42

El poder de probar un coche de Fórmula 1 "virtualmente" se ha convertido en algo muy importante con el tiempo, especialmente durante una época de restricciones cada vez más duras para hacer test. Pat Symonds explica cómo funciona, y lo cerca que está de la realidad...

La simulación no es nada nuevo en la ingeniería. En la antigüedad se hacía mucho por ensayo y error, pero no pasó mucho tiempo antes de que nos diéramos cuenta de que el cálculo no sólo podía reducir la cantidad de errores, sino también conducir a un diseño más eficiente. Galileo fue famoso por calcular las propiedades que determinaban la fuerza de una viga a principios del siglo XVII y probó sus cálculos mediante simples experimentos.

Eso llevó a muchos protagonistas de lo que entonces se llamaba "ciencias naturales" -gente como Isaac Newton- a explorar la relación entre las matemáticas y los fenómenos físicos que encontraban a su alrededor.

En el campo de la simulación de la dinámica de vehículos tuvimos que esperar mucho más tiempo antes de que las matemáticas se convirtieran en algo común, aunque personas como Maurice Olley realizaban cálculos simples en la década de 1930.

Sin embargo, no fue hasta mediados de la década de los 50 cuando la ciencia realmente se abrió, y lo hizo cuando un grupo de ingenieros aeronáuticos que estudiaban el pilotaje de los aviones al rodar en las pistas de aterrizaje dirigieron su atención a los automóviles.

Cuando un coche hace una curva, pasa por varias etapas. A la entrada y salida de las curvas, las fuerzas del coche cambian constantemente, y durante estos períodos está en un estado conocido como conducción transitoria. En el centro de la curva, al menos en un coche de carretera, las fuerzas son relativamente constantes y esa zona se conoce como la región de estado estacionario de la conducción del vehículo. Durante esta fase, es posible determinar las características de estabilidad y conducción con cálculos manuales relativamente sencillos. Las regiones transitorias, sin embargo, necesitan ordenadores para el análisis completo de lo que puede hacer el automóvil.

A medida que la potencia del cálculo ha ido aumentando, también lo ha hecho la sofisticación de los modelos utilizados. El chasis en sí mismo, al ser una carrocería rígida, puede moverse de seis maneras. Estas se llaman grados de libertad. Son su habilidad para moverse hacia adelante y hacia atrás, a la izquierda y a la derecha y arriba y abajo en relación a la tierra, así como para girar alrededor de cada uno de sus ejes.

Eterno debate:

Stoffel Vandoorne, Mercedes AMG Simulator in Silverstone

Stoffel Vandoorne, en el simulador de Mercedes AMG en Silverstone

Para entender la historia temporal de lo que hace el coche, debemos escribir una ecuación de movimiento para cada grado de libertad en la que relacionamos las fuerzas que actúan sobre el cuerpo con su masa, y por lo tanto determinar su aceleración. Siendo una función del tiempo, estas son ecuaciones diferenciales. Las cosas ya parecen complicadas, quizás, pero esto es sólo el comienzo...

Hay muchas partes móviles unidas al chasis rígido, como la suspensión, las ruedas giratorias y el sistema de dirección. Cada una de ellas (y hay muchas otras) tienen grados de libertad y por lo tanto necesitan ecuaciones para describir su posición.

Desgraciadamente, no se detiene ahí. Las fuerzas que actúan sobre el coche son también lo que se denomina no lineales, lo que significa que no son una simple función proporcional de una entrada.

No es necesario ir más allá con la teoría. Puedes ver que estamos tratando con un sistema extremadamente complejo que requiere algunas matemáticas muy potentes para llegar a soluciones. Esto en sí mismo no presenta realmente un problema.

Los ordenadores son muy poderosos y las leyes de la física están de sobra entendidas, por lo que es perfectamente posible simular lo que un F1 hará en una curva. Un potente ordenador portátil con un buen software puede llegar a respuestas bastante precisas siempre que se entiendan algunas de las entradas más complejas, como las fuerzas de los neumáticos.

Esto significa que con sólo usar un ordenador personal, es posible entender cómo se manejará un coche y si es estable o inestable.

Estirando un poco eso, también es posible describir las curvas y pendientes de un circuito como un camino matemático y ver qué tipo de tiempo por vuelta puede hacer un coche recorriendo ese circuito. Para hacerlo, hay que incorporar ciertos criterios de estabilidad en el modelo, para que no intente conducir como un loco.

Lo que realmente se necesita es entender cómo reaccionará el piloto al coche y eso se consigue cuando pasamos de una simulación a un simulador, o "simulación del piloto en el circuito", como a veces se le llama. A primera vista, esto puede parecer como si se añadiera algún tipo de habilidad de juego de arcade a la simulación, pero la realidad es mucho más sofisticada que eso.

Un simulador único:

Cuando los pilotos intentan conducir lo más rápido posible, utilizan varios sentidos para determinar cuándo el coche se está acercando al límite. Necesitan sentir las fuerzas de los neumáticos delanteros a través de la dirección y necesitan sentir cómo los neumáticos traseros se deslizan- o, para ser más precisos, necesitan el oído interno. Reproducir eso en un simulador es un desafío, especialmente porque en un simulador es muy difícil recrear las fuerzas 'G' en el piloto de la misma manera que las que experimentan en el monoplaza real.

Para superar eso, los ingenieros de los simuladores utilizan todo tipo de trucos para tratar de engañar al piloto para que piense que el coche se está comportando como un coche real cuando en realidad su movimiento es muy limitado. Algunas de las técnicas son simples, como tirar de los cinturones de seguridad al frenar para dar al piloto la impresión de que está siendo empujado hacia adelante por la desaceleración. Otras son mucho más sutiles, y se basan en un modelo del oído interno del piloto llamado modelo vestibular.

Comprender eso y manipular las entradas del propio simulador permite al piloto experimentar sensaciones de movimiento espacial que se relacionarán con las que siente cuando conduce de verdad. Si a eso le sumamos un escenario foto-realista proyectado en pantallas gigantes, las sensaciones auditivas del motor y el ruido de la pista e incluso el ingeniero hablando con el piloto a través de los auriculares del casco, podemos empezar a desarrollar la conducción y el rendimiento de un vehículo en un dominio totalmente virtual.

Cosas poderosas en una era donde las pruebas 'reales' están muy limitadas...

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