¿CÓMO SE MIDEN LAS FUERZAS G? ANÁLISIS DE LOS ACELERÓMETROS Muchas son las incógnitas que han surgido después del accidente de Fernando Alonso en Barcelona. El listado con las posibles causas es amplio aunque a día de hoy aún no sabemos a ciencia cierta qué fue lo que ocurrió y las dudas nos siguen invadiendo. ¿Descarga eléctrica?, ¿desvanecimiento?, ¿ráfaga de viento?, todas son posibles pero de todo lo sucedido aquel fatídico día sólo había un elemento que me llamaba poderosamente la atención ¿cómo son capaces los ingenieros de saber qué cantidad de fuerzas G sufre un piloto? Lo sé, soy un tipo raro. Mientras todos se preocupan en intentar descifrar todo lo acontecido yo me fijo en esto. Es lo que tiene ser un enfermo de la técnica. Una vez creada la duda había que ponerse manos a la obra para intentar solventarla y aquí está la solución. El término fuerzas G nos resulta muy familiar. Todos hemos escuchado infinidad de veces que un objeto sin gravedad podría flotar como sucede en el espacio (valor de 0 G) o dar grandes saltos como en la luna donde su fuerza de la gravedad es inferior a la nuestra (0.16 G). En la Tierra todos los objetos estacionarios situados en su superficie junto al nivel del mar tienen un valor de 1G y habría que emplear vehículos, montañas rusas, etc. para conseguir valores más altos. Aunque nos resulte cotidiano el concepto de gravedad es bastante complejo y hoy en día existen muchos físicos teóricos calentando sus prodigiosas cabezas para intentar solventar las dudas que aún genera. Yo no entraré a valorarla, dios me libre aunque voy a utilizar sólo el concepto que nos interesa en estos momentos, las fuerzas G. ¿Qué es la fuerza G? Para empezar hay que aclarar que la "fuerza G" no es en realidad una fuerza en si, son las sensaciones que sufre los objetos y las personas cuando recibe una aceleración. Es un magnitud adimensional, es decir no tiene unidad de medida aunque normalmente se compara con el valor de la gravedad (de ahí proviene el nombre de fuerza G) para dar una idea intuitiva del valor del numero. Muchos estamos familiarizados con estos valores pero no llegamos a entender qué significan. Para conocer el concepto utilizaré como siempre un ejemplo para facilitar la tarea. Imaginaros que estoy en la última planta de un edificio y tengo en mi mano una manzana que lanzaré al vacío. Cuando abro la mano, la velocidad de la manzana empezará a aumentar progresivamente a medida que vaya llegando al suelo. A ese aumento de velocidad se le llama aceleración. Si no existiera la atmósfera, esa aceleración sería constante, en concreto 9.8 metros por segundo al cuadrado (m/s2). Da igual que lance el objeto desde un avión o desde una silla, en nuestro planeta esa aceleración, la producida por la gravedad terrestre es siempre la misma y los físicos le dan un valor numérico (1G). Esa sería las condiciones ideales pero la tierra cuenta con atmósfera y el aire genera resistencia, reduciendo la velocidad. De no ser así no habría paracaidista que sobreviviera. La expresión "1G= 9,8 m/s2" significa que por cada segundo que pasa, la velocidad varía en 9,8 m/s, que traducido a un término más familiar nos indicaría que el objeto ha sufrido una aceleración de 35 km/h en un segundo. En el caso que nos ocupa, si un piloto de F1 pisa el acelerador a fondo y su coche pasa de estar en reposo a alcanzar los 70 km/h en un segundo su cuerpo sufriría una aceleración de 2 G. Los actuales monoplazas no tienen esta capacidad de aceleración pero los antiguos sí. El Williams/BMW del año 2000, que contaba con un motor V10 de 3 litros era capaz de pasar de 0 a100 en 1.2 seg, llegando a alcanzar el piloto los 2.4 G. Dejando a un lado los accidentes, los valores más altos se dan en las frenadas y en los pasos por curva. Todos creemos erróneamente que la potencia del motor o su capacidad de aceleración es el elemento más destacado de un buen F1 pero cuando preguntas a un joven piloto qué es lo que más le ha sorprendido de su experiencia cuando prueban por primera vez estos monoplazas todos contestan lo mismo, su capacidad de frenada y lo vais a entender rápidamente. En la frenada más fuerte del Gran Premio de China, el piloto llega a sufrir una fuerza de casi -6 G, pasando de 320 km/h a 68 km/h en pocos segundos. Casi nada. En el paso por curva también se llegan a alcanzar valores muy altos pero la actual estructura de los habitáculos facilita mucho la tarea a los pilotos. En la fórmula 1, los radios de las curvas son "muy pequeños" y las velocidades a las que se mueven son muy grandes, elevando los valores de la fuerza centrífuga. Los sistemas de protección lateral con que cuenta los monoplazas actuales permiten a los pilotos reposar la cabeza en los laterales y el cuello sufre mucho menos que en el pasado cuando no existían. El entrenamiento del cuello es vital para los pilotos y dedican mucho tiempo en fortalecerlo pero es la pista la que termina de perfeccionar la preparación. La mayoría de los circuitos que forma el calendario giran en el sentido de las agujas del reloj y eso implica que el número de curvas a derechas es mayor. Esta circunstancia hace que la musculatura del lado izquierdo del cuello sea un poco más potente que la del derecho. Cuando el gran circo llegaba a los circuitos donde se gira en sentido contrario, por ejemplo Interlagos algunos pilotos no conseguían soportar todo el Gran Premio en óptimas condiciones debido al aumento de las curvas a izquierdas. En el año 2005 Kimi Raikkonen soltaba el volante en la última parte de la carrera para sujetarse la cabeza en la curva que precede a la recta de meta. Como hemos visto la fuerza G es una fuerza que se mide en comparación con la fuerza de la gravedad y está directamente relacionado con la masa del objeto (la cantidad de materia que contiene) que determinará finalmente su peso. Una fuerza 1G te indica directamente tu peso (la fuerza que ejerce la Tierra sobre ti). En la luna somos afortunados los rellenitos, tenemos la misma masa pero el valor en la báscula se reduce considerablemente. Alcanzar valores G altos implica multiplicar el peso de manera exponencial. Una fuerza 2 G genera una fuerza similar al doble de nuestro peso y en el caso de alcanzar los 10 G la fuerza generada equivale a 10 veces nuestro peso. Alonso alcanzó 30 G en Barcelona pero Kubica en Canadá 2008 superó los 97 G Bien, ya sabemos que son las fuerzas G, ahora toca el turno de saber como se miden, y el aparato encargado de hacerlo son los acelerómetros. Acelerómetros Se denomina acelerómetro a cualquier instrumento destinado a medir aceleraciones.Ignorante en la materia creía que este tipo de dispositivos se empleaba exclusivamente en aparatos relacionados con la velocidad, la automoción en general pero fue una sorpresa saber que su empleo está generalizado. Tenía claro su empleo en los automóviles modernos para activar el airbag en caso de colisión, para el control del sistema ABS pero casi todos los smartphones actualmente cuentan con este componente y se emplea para que el aparato detecte la posición en la que se encuentra para cambiar, por ejemplo la posición de la pantalla de vertical a horizontal, dependiendo de la forma en que lo sostenemos. Hay diferentes métodos para realizar las mediciones pero todos emplean el mismo esquema de funcionamiento: una masa sujeta por un muelle dentro de un envase. Cuando se produce una variación de la velocidad la masa se desplaza arriba o abajo y nos indica qué valores de fuerzas G se han alcanzado. El dispositivo mostrado en el lado derecho sólo podría realizar mediciones en el eje vertical. Si empleamos tres mecanismos iguales colocados en los tres ejes de coordenadas tendremos una visión en los 3 ejes (X, Y y Z) de las fuerzas (3D). Como vemos el funcionamiento es muy sencillo. Veremos ahora los sistemas empleados en la F1. Acelerómetros piezoeléctricos Estos dispositivos aprovechan una propiedad natural de ciertos cristales llamados piezoeléctricos (cuarzo, circonato de plomo) que al ser presionados generan electricidad. Los elementos piezoeléctricos se encuentran comprimidos por una masa que está sujeta por un muelle y todo el conjunto se aísla dentro de una caja metálica. Cuando el dispositivo es sometido a una aceleración la masa oscila y presiona al disco piezoeléctrico. La cantidad de electricidad generada por el disco dependerá de la presión reciba por la masa. En el caso de aceleraciones positiva, cuánto mayor sea el incremento de velocidad mayor será el desplazamiento de la masa. En este caso la presión ejercida sobre el disco aumentará, al igual que la electricidad producida por el cristal. Un simple voltímetro es el encargado de medir la intensidad creada y así poder valorar la aceleración. En las frenadas ocurre todo lo contrario, la electricidad se reduce a medida que la masa deja de presionar el disco. Para obtener mediciones en 3D se emplean los acelerómetros triaxiales empleando esta tecnología. En cada F1 hay instalado al menos dos dispositivos para obtener la medición de las fuerzas G, uno está situado en el coche, que envía datos en tiempo real a los equipos y es utilizado por la FOM para ser mostradas al publico en las imágenes de televisión y otro lo lleva instalado el piloto. Desde 2010, el 'FIA Institute' la organización internacional que desarrolla y mejora la seguridad en el deporte del motor ha estado investigando cómo obtener datos reales de las fuerzas G que soportan los pilotos en los diversos accidentes que se producen a lo largo de la temporada y centran su atención en una de las partes más sensibles del cuerpo, la cabeza. El objetivo es poder tratar mejor las posibles lesiones cerebrales que sufren los pilotos en caso de colisión y creyeron necesario la instalación de un dispositivo en esa zona del cuerpo. En el año 2004 se pusieron manos a la obra. Un acelerómetro clásico sería engorroso por temas de espacio y vieron la necesidad de miniaturizarlo. Acelerómetros MEMS Tras muchos esfuerzos consiguieron miniaturizarlo empleando tecnología pertenecen a la categoría de los MEMS (Sistemas Microelectromecánicos) que no es otra cosa que unas máquinas muy pequeñas (micro máquinas) con componentes electrónicos que están construido generalmente a base de silicio policristalino modelado y su tamaño es inferior a un milímetro. Para que os hagáis una idea del tamaño de estas máquinas os muestro una imagen donde se aprecia los mecanismos junto a un ácaro. Para conseguir un funcionamiento óptimo el chip cuenta con sus correspondientes componentes electrónicos que son los encargados de procesar las señales para realizar las oportunas mediciones en 3D y el cableado para extraer los datos del dispositivo. El tamaño total no supera los 3 mm ni excede los 10 gr. El sensor se implanta en el auricular del conductor y se insertan directamente en el canal auditivo. Los primeros dispositivos creados eran muy grandes y estaban montados en la parte exterior de la oreja del conductor. El Instituto FIA hizo un estudio detallado y encontró que aunque los resultados podrían ser de utilidad, se observa una importante disociación entre el movimiento de la cabeza y los datos del dispositivo. Su arquitectura interna es bastante simple. Un acelerómetro se encuentra constituido por una masa central que cuenta con unos filamentos y está sujeta por los extremos. Esta masa oscilante se encuentra dentro de una serie de estructuras similares a las agujas que son condensadores. Cuando el coche frena o acelera la masa desplaza las minúsculas placas del los condensadores, provocando un cambio en su capacidad. Este cambio son detectados y procesado para obtener un voltaje de salida. Capturar los datos acerca de las fuerzas que actúan sobre la cabeza del conductor es especialmente importante en el caso de un accidente. La entrega de los paquetes de información se hace en tiempo real y proporciona información de vital importancia para los médicos, así como a los investigadores para realizar posibles mejoras en la seguridad como puede ser mejorar la zona donde se reposa la cabeza, soportes laterales o la posición del asiento. Después de muchos años de desarrollo han logrado desarrollar un sensor con las especificaciones requeridas, no sólo en términos de tamaño, sino también por la capacidad de medir valores muy altos, hasta 400 G. Cualquier avance en la seguridad siempre será bien recibido por todos. Por fortuna es parte del pasado aquellos años donde la desgracia estaba siempre a la orden del día pero aún queda mucho trabajo por hacer. La historia reciente, primero con Jules Bianchi y ahora con Fernando nos recuerda que hay que seguir en la lucha. Si estos dispositivos pueden ayudar a conseguirlo, bienvenidos sean, pero eso será otra historia.
