Requisitos para que un auto vuele: explorando la física del Roadster de Tesla

Desde hace décadas, la humanidad ha soñado con la llegada de los autos voladores. Finalmente, un prototipo ha dado un paso hacia ese futuro: el Roadster 2 de Tesla, presentado por Elon Musk. Este vehículo, cuyo lanzamiento había sido pospuesto en múltiples ocasiones, exhibe características sorprendentes. Aunque no vuela de manera prolongada, puede realizar maniobras que los autos convencionales no pueden, como escalar paredes verticales y saltar por encima de otros modelos de Tesla.

Esto plantea dos interrogantes fundamentales: ¿deberíamos permitir que los vehículos transiten verticalmente y vuelen? Dada la dificultad que muchos conductores tienen en las carreteras tradicionales, la respuesta parece ser negativa. No obstante, esa es una cuestión que deberán abordar los legisladores y la Administración Federal de Aviación (FAA). La segunda pregunta es: ¿cómo fue posible que el Roadster 2 realizara tales hazañas? La respuesta se encuentra en los principios de la física.

El ascenso vertical del Roadster

Comencemos por el hecho de que el Roadster 2 logró ascender por una rampa circular y mantenerse adherido a ella de manera sorprendente, como si fuera un superhéroe. Aunque no se recomienda intentar esto, esta función podría mejorar su rendimiento en carreteras convencionales. La clave radica en la fricción.

Cuando dos superficies entran en contacto, como los neumáticos de goma y el asfalto, se genera una fuerza que impide que se deslicen una sobre la otra. Esta interacción se conoce como fricción estática. La magnitud de esta fuerza (Ff) depende de la presión entre las dos superficies (FN) y de los tipos de materiales involucrados (μ).

La fuerza que presiona las superficies una contra otra se denomina fuerza normal, ya que actúa perpendicularmente a ambas. El coeficiente de fricción estática (μ) describe la naturaleza de los materiales. El coeficiente máximo práctico es 1, mientras que el caucho sobre asfalto suele tener un valor cercano a 0.6. Este límite se debe a que la fricción estática actúa como una fuerza restrictiva, aplicando lo necesario para evitar el deslizamiento, hasta un máximo determinado.

Imaginemos que un vehículo convencional intenta escalar una pendiente. A medida que el ángulo (θ) de la inclinación aumenta, la componente de la fuerza gravitatoria (mg) que actúa perpendicularmente a la superficie disminuye. Esto reduce la fuerza normal (FN) y, por ende, la fuerza máxima de fricción. Si esta fuerza de fricción es inferior a la componente gravitatoria que tira hacia abajo, el vehículo resbalará. Con un coeficiente de 0.6, el ángulo máximo alcanzable es de aproximadamente 31 grados, lo que está lejos de ser vertical.

¿Cómo puede, entonces, un vehículo escalar una pared vertical? La respuesta se encuentra en aumentar la fuerza normal y, por tanto, la fuerza de fricción. Para que un auto permanezca adherido a una pared, la fricción debe igualar la fuerza gravitatoria que lo empuja hacia abajo.

El Roadster 2 logra esto utilizando ventiladores que expulsan aire por debajo del vehículo. Gracias a unas aletas laterales, se reduce la presión del aire bajo el auto, un principio similar al de una aspiradora. Calculemos la presión necesaria para que el Roadster 2 se adhiera a una pared. Según la compañía, el vehículo tiene un peso objetivo de 1,700 kilogramos y un área de contacto aproximada de 2 metros cuadrados. Usando la fórmula F = P × A, donde P es la presión y A es el área, se necesita una presión en la parte inferior equivalente al 86% de la presión atmosférica. Esto es factible, aunque el sellado no es perfecto, lo que significa que los ventiladores deben seguir extrayendo aire para mantener la adherencia.

Un rendimiento sin igual

Además de su asombroso truco de adherirse a las paredes, el Roadster 2 promete una aceleración de 0 a 60 mph en menos de un segundo, un logro que resulta inalcanzable para un auto convencional. Esto se debe a que un vehículo normal depende de la fricción entre los neumáticos y la carretera para acelerar, lo que lo limita al coeficiente de fricción. Con un coeficiente de 0.6, el mejor tiempo posible es de 4.56 segundos para alcanzar las 60 mph. Aunque se pueden mejorar los neumáticos y aumentar la fricción a medida que el vehículo gana velocidad, esto sigue sin permitir alcanzar esa velocidad en un segundo.

El Roadster 2, sin embargo, utiliza una técnica diferente: aire comprimido que se expulsa por la parte trasera, similar al principio de funcionamiento de un cohete. Imaginemos un simple experimento con un auto de juguete propulsado por un globo. Cuando se suelta el aire, el globo empuja el aire hacia afuera, generando una fuerza que impulsa el vehículo hacia adelante. En el caso del Roadster 2, este mismo concepto se aplica con un depósito de aire comprimido que proporciona el impulso necesario.

Un vistazo a la aceleración y la gravedad

El Roadster 2 también utiliza aire comprimido para elevarse del suelo, aunque este «vuelo» solo dura unos segundos antes de que la presión se desvanezca. La aceleración que se genera para saltar sobre obstáculos, como un camión Tesla Semi, es significativa y puede ser perjudicial para los ocupantes. Al analizar el movimiento del vehículo durante el salto, se estima que la aceleración vertical es de aproximadamente 98 metros por segundo al cuadrado, lo que equivale a cerca de 10 g. Aunque los humanos pueden tolerar este nivel de fuerza por breves períodos, no resulta cómodo y conlleva riesgos. Quizás esa sea la razón por la que, en esta demostración, el Roadster 2 estaba siendo manejado por un robot.