Influencia de variables no mecánicas en el motociclismo de competición

1. Introducción.

Como hemos comentado en artículos previos, en Asseco Spain Group estamos desarrollando un potente modelo predictivo para el equipo de motociclismo SAG, que compite con éxito en la categoría Moto 2 del Campeonato Mundial. Este modelo nos va a predecir las prestaciones de la moto y la vuelta rápida, circuito a circuito y sector a sector, en base a una serie de parámetros (setup) ajustables a voluntad.

Hasta la fecha, hemos comentado la influencia de parámetros mecánicos en general y de motor en particular. Hoy nos vamos a detener en aquellas variables no mecánicas pero que tienen una gran influencia en el rendimiento de la moto. Entenderemos por variables no mecánicas aquellas diferentes a las de motor, transmisión y aerodinámica que se pueden regular a voluntad; es decir, hablaremos de variables que intervienen en las actuaciones de la moto, pero no pertenecen a la mecánica strictu senso. Concretamente:

• La temperatura y humedad ambientales, temperatura del asfalto, temperatura de neumáticos y llantas.
• Altitud sobre el nivel del mar.
• Consumo de combustible a medida que trascurre la carrera, reducción de peso y posición del centro de gravedad.

Las estudiamos una por una en el presente artículo.

Figura 1. Las variables no mecánicas intervienen e influyen en el rendimiento de la moto de forma decisiva.

2. Temperatura y humedad ambientales. Efecto en motor y neumáticos.

2.1 Motor.

La temperatura ambiental ejerce una gran influencia en el rendimiento del motor y el comportamiento de los neumáticos. A mayor temperatura ambiente, el aire pierde densidad, y por tanto, su cantidad de oxígeno por unidad de volumen.

Los motores de combustión han de funcionar con una proporción muy precisa de aire y combustible. Hay un cierto rango de trabajo que distingue la conocida como “mezcla rica (rich mixture)” o “mezcla pobre (lean mixture)”, denotando si la cantidad de combustible es mucha o poca en relación a la cantidad de aire ingerido. La “mezcla rica” se usa para conseguir el máximo rendimiento, mientras que la “mezcla pobre” es más apta cuando se persigue la máxima economía. En el mundo de la competición, predomina el obtener la máxima potencia posible y factible de gestionar por el chasis y piloto.

Figura 2. Las condiciones ambientales influyen de forma clave en el llenado del cilindro con mezcla air-combustible y con ello su rendimiento final.

Cuando la temperatura ambiente es elevada, en un motor de gasolina atmosférico (sin sobrealimentación forzada) como es el usado en la categoría de Moto 2 (motor Triumph tricilíndrico de 765 c.c. y unos 150 CV de potencia), la cantidad de oxígeno que ingresa en los cilindros es menor comparado con las temperaturas ambientales más bajas. Ello implica también que la cantidad de combustible quemada satisfactoriamente en los cilindros es menor y, por ende, la potencia y par del motor disminuye ligeramente.

Cada motor es diferente y en qué medida le afecta la temperatura exterior es también desigual. Por término medio, cuando superamos los 35ºC las pérdidas de rendimiento ya comienzan a ser apreciables y en estas condiciones, un motor puede perder del orden de unos 5 CV. Podemos concluir, por regla general: a mayor temperatura ambiente, menor rendimiento del motor.

Si bien es cierto que a menores temperatura la potencia es mayor, llega un punto (con temperaturas muy bajas) que la evaporación del combustible en el cilindro cuesta más y la potencia deja de subir y baja de nuevo. Sin embargo, esto sucede normalmente a temperaturas inferiores a 0ºC, condiciones que no se suelen dar nunca en las carreras del Mundial de Motociclismo.

Figura 3. Las curvas de potencia y par del motor de una moto, se pueden ver sensiblemente alteradas por las condiciones ambientales.

2.2. Neumáticos.

Con respecto a los neumáticos, y con las altas temperaturas, el aire en su interior se expande y su presión aumenta. Ello conlleva que la superficie de contacto de la goma del neumático con el asfalto disminuye (su sección transversal tiende a ovalizarse), disminuyendo así el agarre. El desgaste se acentúa más en la banda de rodadura que en los flancos. Como consecuencia tenemos una pérdida de adherencia agravada por el hecho de que las altas temperaturas degradan el neumático con más rapidez mermando sus propiedades aún más.

La presión habitual suele ser de 2 bares en el neumático delantero y 1,8 bares en el neumático posterior. Una presión baja genera un mayor contacto con el asfalto y más agarre, pero pone en riesgo la estabilidad de la moto y puede aumentar en exceso la temperatura de la carcasa del neumático. En contra, una presión excesiva puede disminuir el agarre.

Figura 4. Deformación y pisada del neumático en función de la presión interna del aire. Obsérvese la diferencia de huella sobre el asfalto en función la presión del aire en su interior y la deformada de los flancos en función de la inclinación en curva.

Los neumáticos de competición tienen un rango de funcionamiento óptimo que suele estar en torno a los 100ºC en el tren delantero y 120ºC en el tren trasero para llegar al compromiso perfecto de adherencia. Es práctica ordinaria que los neumáticos, antes de montarse en las motos, se calienten con mantas térmicas y alcancen una temperatura de unos 90ºC antes de entrar en pista. Suele llevar del orden de una hora. Hay que destacar que es igualmente importante que se caliente la llanta, y no solamente el neumático, para que la distribución de calor en todo el tren rodante sea homogénea.

Figura 5. Conjunto neumático-llanta con calentadores eléctricos para que alcancen su temperatura de servicio ya antes de comenzar la carrera.

Como estamos viendo, las condiciones ambientales ejercen una gran influencia (positiva o negativa) en el comportamiento y prestaciones de la moto en carrera, afectando a elementos clave como son el motor y los neumáticos. Recordemos la gran influencia de la presión interna del aire que rellena un neumático y su efecto en la pisada o huella de contacto con el asfalto. Lo vemos gráficamente en la siguiente figura.

Figura 6. Huella de pisada de los neumáticos en recta (vertical) como en curva (inclinado).

Si nos fijamos ahora en el apartado de la humedad relativa del aire, en ambientes húmedos tenemos más gotas de agua (H2O) microscópicas en el aire que desplazan a las moléculas de oxígeno (O2) para una misma cantidad de volumen.  El oxígeno es fundamental (como comburente) para posibilitar la quema de la gasolina en los cilindros. Por tanto, a mayor humedad ambiental, la concentración de oxígeno es menor y la potencia del motor disminuye.

Figura 7. Las condiciones del asfalto y su índice de abrasión también influyen de forma crucial en el rendimiento de la moto.

Finalmente, las condiciones ambientales condicionan de forma directa la temperatura del asfalto. Habitualmente, la temperatura de la pista (por radiación solar directa) suele ser de 10 a 15ºC superior a la temperatura ambiente. Es una fuente adicional de calor, por radiación, que afecta al comportamiento y rendimiento de los neumáticos y, por ende, de toda la moto.

Figura 8. Vemos a un ingeniero de pista controlando la temperatura del asfalto. Ello nos condicionará el tipo de compuesto a elegir (duro o blando) y la presión de inflado. Unas pocas décimas de diferencia pueden ser cruciales.

Como norma general, una pista con el asfalto caliente facilita el agarre del neumático aunque lo degrada con más rapidez, mientras que una pista fría suele ser más deslizante pero más conservadora con las gomas. Tanto la temperatura del asfalto como incluso la calidad del mismo (tipo de granallado, porosidad y drenaje), influyen en el agarre y desgaste de los neumáticos.

3. Altitud sobre el nivel del mar.

Como sabemos, a medida que se aumenta la altitud sobre el nivel del mar, la proporción de oxígeno en el aire se empobrece. Es por ello que los motores de las motos de carreras rinden más y mejor al nivel del mar que en altitud.

Se estima que un motor atmosférico puede perder hasta el 10 % de potencia por cada 1.000 metros de ascensión, es decir un 1% por cada 100 metros de altitud. Este hecho obliga a los ingenieros de los equipos de motociclismo a tener muy en cuenta a qué altura sobre el nivel del mar está cada circuito. Ello condicionará sobremanera el rendimiento de la moto. Lo que se buscará es compensar con ajustes optimizados de chasis la pérdida de rendimiento con la altura.

Más abajo, vemos la disminución de presión atmosférica a medida que ganamos altura sobre el nivel del mar.

Figura 9. Relación de disminución de la presión atmosférica con la altitud.

A la disminución de proporción de oxígeno en la atmósfera, podemos sumar la disminución de presión general del aire, con lo que tenemos que la mezcla aire-combustible entra a menos presión y no se favorece el efecto torbellino en los cilindros del motor que tan beneficioso es para la combustión al tener una mezcla más homogénea.  A menor presión, la mezcla es menos homogénea y se quema peor.

Figura 10. Imagen mostrando la entrada en forma de torbellino de la mezcla aire-combustible. Cuanto más efecto turbulento se consigue (favorecido por la presión atmosférica), mayor homogeneidad en la mezcla y mayor rendimiento del motor.

4. Consumo de combustible y posición del centro de gravedad (CdG).

En las carreras de motos, el consumo de combustible tiene un papel fundamental. En la categoría de MotoGP, por ejemplo, el consumo medio de las motos es de 17 litros/100 Kms. Más abajo, vemos una tabla estadística con los consumos en diferentes circuitos.

Figura 11. Tabla de consumos promedio en algunos circuitos del Mundial. 

A medida que la gasolina del depósito se consume, la moto pierde peso. Asumiendo que la densidad de la gasolina es aproximadamente de 720 Kg/m3, podemos calcular que entre el comienzo de la carrera y su final, la moto es del orden de 12,24 kilos más ligera (17 litros x 0,72). Esto supone una variación de entre un 8 y 10% del peso total.

Por tanto, la moto es potencialmente más rápida. Sin embargo, esto no es tan obvio ya que al final de la carrera los neumáticos están muy degradados y el agarre es más bajo, con lo que las prestaciones también disminuyen.

Por si todo esto fuera poco, a medida que el combustible se consume y al estar el depósito en posición elevada, tiene como consecuencia que el Centro de Gravedad (CdG) de la moto va bajando y disminuyendo su cota Z con importantes consecuencias en su comportamiento y estabilidad.

Figura 12. Situación de depósito de combustible en parte alta de la moto, justo sobre el motor. Entre 12 y 15 kilos de peso que desaparecen de una zona elevada (cota Z elevada) en el chasis de la moto.

Una moto con el CdG alto es más inestable y tiene menos aplomo en recta. Sin embargo, tiene más facilidad para los cambios de dirección e inclinación lo que la hace más ágil. Una moto con el CdG más bajo, se comporta justo al contrario. A medida que la carrera transcurre, el comportamiento de la moto puede cambiar de forma apreciable, el piloto tiene que cambiar su forma de pilotaje y los tiempos por vuelta también varían.

En este apartado, los equipos han de hacer una labor intensiva para obtener la posición óptima del CdG trabajando con la posición y anclaje del motor al chasis, suspensiones, posición del piloto acorde a su complexión, etc… De la misma forma, los pilotos corpulentos y de elevada estatura elevan el Centro de Gravedad en contraposición a los pilotos más menudos y compactos.

Figura 13. La posición del Centro de Gravedad (CdG) es crucial para establecer el comportamiento de la moto.

5. Conclusión.

Como podemos ver, la complejidad de variables como las condiciones atmosféricas, altitud sobre el nivel del mar, consumo de combustible o posición del Centro de Gravedad (CdG) es mucha. Su tratamiento a la hora de introducirlas en el modelo matemático que estamos preparando no es fácil. Para ello, hemos de prestar atención y acotar muy cuidadosa y racionalmente estos parámetros para poder modelizarlos de una forma lo más simplificada y efectiva a la vez.

En este reto estamos ahora mismo envueltos en Asseco Spain Group para proporcionar al equipo SAG una herramienta que, de forma automática, nos permita obtener los parámetros mejor adaptados para cada pista.

Entre ellos introduciremos:

• Temperatura ambiental.
• Humedad relativa.
• Altitud sobre el nivel del mar.
• Temperatura esperada del asfalto.
• Consumo promedio de combustible.

Con ello, obtendremos como resultados, entre otros:

• Rendimiento esperado del motor.
• Temperatura previsible de neumáticos y su presión de inflado óptima.
• Cambio de cota Z en la posición del Centro de Gravedad en función del consumo de combustible.
• Tiempo por vuelta teniendo en cuenta estas variables y en conjunción con otras muchas de índole puramente mecánico.

Figura 14. El modelo predictivo basado en Inteligencia Artificial y Machine Learning, será capaz de hacer asombrosas predicciones y marcar tendencias.

El reto es complejo, pero en Asseco Spain Group estamos trabajando duramente para conseguirlo en los próximos meses. Todas estas variables las relacionaremos entre sí con un índice de importancia que oscilará del 1 (mínimo) al 5 (máximo) en función de su relevancia en las prestaciones de la moto. ¡Vamos a pleno gas!

Figura 15. Con nuestra herramienta predictiva, el equipo SAG contará con un importante instrumento para ajustar sus motos en función de cada circuito y condición de forma intuitiva y automática.

Santiago Ferrer Jover

Head of Industry

Asseco Spain Group