La arodinámica


AERODINÁMICA

Introducción a la Aerodinámica

Comportamiento aerodinámico del flujo de aire al paso por un monoplaza de F1

Cuando uno considera la Aerodinámica tiende a pensar en la Ingeniería Aeroespacial, es un hecho que la aerodinámica es una rama de la Mecánica de Fluidos y que fue desarrollada coda a codo con las aeronaves y que es una disciplina inconcebible sin las mismas. Y efectivamente así es; uno puede exigirle a un ingeniero aeroespacial un avanzado conocimiento en aerodinámica.

No obstante, cuando uno habla de aerodinámica debe ensanchar su mente y empezar a considerar otros procesos o aspectos de las ciencias aplicadas que requieren de estudios aerodinámicos. Estamos hablando de procesos a “altas velocidades“. Con esa visión ampliada uno puede incluir casi cualquier vehículo, especialmente automóviles, edificios afectados por el viento, transporte en conductos, procesos internos en motores y un largo etcétera. De este modo, rápidamente se nos ocurre considerar la Fórmula 1.

Normalmente los coches de Fórmula 1 alanzan velocidades de hasta 350 km/h en algunos circuitos, de hecho, antes del recorte de prestaciones del motor, velocidades de 370 km/h eran fácilmente alcanzables en las rectas de algunos circuitos. Por consiguiente, la media de velocidad de estos bólidos no es inferior a los 160 km/h. No hay duda entonces de que la aerodinámica juega en este juego, un papel muy importante. Aunque parezca contradictorio hicieron falta casi 20 años para que los ingenieros de la Fórmula 1 se dieran cuenta de la gran importancia que tenía la aerodinámica.

Por ello, los principios que permiten volar a un avión son fácilmente aplicables a un coche de carreras. La única diferencia se encuentra en la forma en la que el ala o alerón está montado: justo al revés produciendo downforce en vez de Sustentación.

Fundamentos Básicos de la Aerodinámica

Recorrido del flujo de aire en todo automóvil

La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos, que estudia el comportamiento del aire, el fluido en cuestión, al paso por un cuerpo.

Pero, ¿qué es exactamente un fluido?

Un fluido es todo aquel material, que se deforma de manera contigua ante una fuerza, no importa de qué valor sea ésta. Un trozo de hierro, posee una fuerza mínima ante la cual empieza a deformarse, cosa que no pasa con el aire, por ejemplo. Muchas veces atribuimos la definición de fluido, a otros fenómenos que ocurren a nuestro alrededor: decimos que el tráfico de una ciudad es más fluido que otro (es falso, pero bueno….), en cuanto no hay atascos y los coches van más sueltos, por ejemplo; son asignaciones que hacemos casi inconscientemente, pero que en cierta forma, son válidas.

Parece simple, pero no lo es, ya que la dinámica de cualquier fluido, viene determinada básicamente, por 2 aspectos:

  • Las propiedades del fluido.
  • Las leyes o principios que regulan y marcan la evolución o dinámica.

Propiedades de los Fluidos

Todos los fluidos presentan propiedades

La propiedades de los fluidos son las siguientes:

-Densidad

-Presión

-Viscosidad

-Relaciones

 

Leyes o principios de la Aerodinámica

Una vez hemos vistas las propiedades más importantes del aire, hemos de pasar a las leyes o principios que rigen toda dinámica o evolución temporal.

La verdad es que en un principio, cabe decir que existe sólo una ley universal que rige toda dinámica; de hecho, con tan sólo una ley, principio o como se quiera llamar, está definida toda la Aerodinámica, sea de coches de competición, Aeronaves, Motos, barcos, etc.. alucinante ¿verdad? Pero es así; la ley dice: “Todas las partículas tienden a situarse en aquel estado de mínima energía”. Ya lo decía Einstein: “El Universo es perezoso”… cuánta razón tenía…

Por ello mismo, por ejemplo, el aire siempre circula desde una zona de alta presión hacia otra de baja presión.

Parece simple, pero no lo es; existen diferentes tipos de energía; básicamente 3: por altura o cota, por velocidad y por presión. Por si fuera poco, existe otra ley de termodinámica que dice que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma; pues ya lo tenemos todo: hemos definido los 3 tipos de energía existentes, y encima hemos encontrado la relación entre ellas. La ecuación matemática o modelo matemático que recopila todo lo dicho, se denomina Ecuaciones de Navier-Stokes; resolviendo dichas ecuaciones o modelo, seríamos capaces de averiguar cualquier aerodinámica o dinámica en cualquier contexto; incluso podríamos saber si dentro de 3 años, 2 días y 45 segundos, lloverá o no lloverá…. pero existe un problema: son unas ecuaciones que no se pueden resolver analíticamente; hay que resolverlas numéricamente, es decir: con ordenador y técnicas CFD (ya veremos esto en posteriores artículos).

Esta dinámica y su modelización, conlleva una serie de efectos, sin los cuales, no podríamos diseñar coche de competición alguno, y gracias a ellos, podemos disfrutar de nuestro deporte (al igual que volar, navegar, etc….).

Esta serie de efectos, son los siguientes:

-Efecto Venturi/Principio Bernouilli

-Efecto Capa Límite

-Efecto Coanda

-Drag

-Efecto suelo

El Alerón

¿Cuántas veces hemos oído eso de que un Fórmula 1 es un avión al revés? Pues es totalmente cierto, al menos en lo que respecta al chasis es claramente un avión dado la vuelta. Voy a intentar explicar de manera ligera los conceptos que hacen verdadera esta afirmación con respecto a los alegrones de los monoplazas.

Recorrido del flujo de aire, a lo largo del ala de un avión.

En imagen tenemos un ala de un avión. El hecho de que un avión despegue se basa en el diseño de las alas. Estas tienen una mayor superficie en la parte superior y por tanto menor que la inferior. Esa mayor superficie superior provoca que el aire que circula por la parte superior aumente su velocidad con respecto al aire de la parte inferior, esto provoca una reducción del la presión en la parte superior y que por tanto exista una mayor presión en la parte inferior que termina empujando hacia arriba la aeronave. Es lo que se conoce como la fuerza de Bernoulli.

Pues en Fórmula uno se invierte los procesos, buscando una mayor presión en la parte superior de los alerones para empujar hacia abajo a los monoplazas. Por tanto la parte inferior de los alerones será la que tenga una mayor superficie para así reducir la presión.

Este es el concepto, en la siguiente imagen del alerón trasero de un F1 podemos observar perfectamente como los alerones son unas “alas” como las de la imagen anterior pero invertidas.

Esquema del alerón trasero de un F1. Como se puede observar, esta formado por dos planos superpuestos, que son dos alas invertidas, con el fin de lograr el efecto contrario a la sustentación, es decir el donwforce.

Sin duda, los alerones son un factor importantísimo de cara al agarre. Generan alrededor del 66% de la fuerza hacia el suelo del coche. Lo normal es que lleven secciones de perfil aerodinámico multi-elemento (similar a los que se despliegan en los aviones en fase de aterrizaje o despegue, en la foto) optimizados para velocidades pequeñas, ya que recordemos que las velocidades punta de los Fórmula 1 son más bien lentas frente a cualquier vuelo de crucero.

En cada extremo lleva superficies transversales para reducir la resistencia inducida. ¿Y qué es esta resistencia? Se suele denominar también resistencia de borde de ala, de punta de ala, de ala finita… varios nombres que describen lo mismo: una resistencia inevitable, pero sí reducible (con estas superficies o winglets) existente por el hecho de que vivimos en un mundo en tres dimensiones en el que al aire le es más fácil irse por el lateral del alerón que por donde debe ir, generando un torbellino que da resistencia.

Elementos de la aerodinámica

Alerón Delantero

Alerón delantero de F1

El alerón de un Fórmula 1 está construido en fibra de carbono y es la primera parte del coche en contactar con el flujo de aire. El flujo alrededor de este es mayor que en cualquier otra parte del coche puesto que es la parte en la que el aire incide con menos perturbación. El alerón está diseñado para producir downforce y guiar el aire que se mueve aguas abajo.

Flaps y winglets (pequeños alerones y apéndices aerodinámicos) se usan para guiar el aire pasadas las ruedas hacia las entradas del radiador y la panza del coche. El aire turbulento que se mueve hacia la parte trasera del coche impactará sobre la eficiencia del alerón trasero. La eficiencia del alerón se basa en tres parámetros básicos: el alargamiento, el ángulo de ataque y la resistencia:

  1. El Alargamiento: La cantidad de downforce producida por un ala o alerón se determina por sus medidas. Cuanto mayor sea el alerón mayor downforce produce. Llamamos alargamiento a la relación entre longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la resistencia creada por los vórtices en las puntas de los alerones. El alargamiento es la longitud (la dimensión alargada perpendicular al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensión paralela al flujo).
  2. El Ángulo de Ataque: La eficiencia de un alerón depende también de la relación downforce/resistencia. La cantidad de downforce generada también depende del ángulo o inclinación del alerón. Cuanto mayor es el ángulo de ataque mayor es el downforce producido.
  3. La Resistencia: Al incrementar el downforce en un alerón también crece la nunca deseada resistencia. La downforce generada por el alerón trabajo en sentido vertical, hacia el suelo, mientras que la resistencia actúa en la dirección opuesta al flujo de aire.

Esquema alerón delantero de F1. En rojo el recorrido del flujo del aire, a través del alerón.

En la puesta a punto del alerón delantero, los ingenieros deben considerar lo que sucederá al flujo de aire cuando este viaje aguas abajo recorriendo todo el coche. En un esfuerzo de limpiar el flujo perturbado, se suelen hacer pequeños ajustes en forma de apéndices aerodinámicos o de acomplejización de las superficies en la parte delantera del coche. Las turning vanes (deflectores) se usan para desviar la estela (la estela es un pequeño volumen turbulento de baja presión causado por el paso de un objeto a través del aire que produce resistencia de presión) de flujo turbulento lejos de las ruedas delanteras y el alerón delantero. Este efecto, aleja al aire perturbado de las entradas de los radiadores y de la panza del coche. En los circuitos más lentos también se pueden montar pequeños secciones de verticales en alerón, ineficientes en circuitos rápidos por su producción de resistencia aerodinámica.

Los alerones para las configuraciones de circuitos rápidos son muy pequeños y funcionan más bien como elementos estabilizadores que como generadores de downforce. Dicha configuración es capaz de producir una fuerza de 6.650 N.

Alerón delantero Red Bull temporada 2009

Las ruedas delanteras y traseras son la mayor fuente de resistencia de un Fórmula 1. Esto provoca hasta un 60% de ineficiencia aerodinámica (el aporte en la resistencia total suele ser de un 40%). El conjunto del alerón delantero tiene unas placas perpendiculares en sus bordes laterales para reducir la turbulencia que hay alrededor de las ruedas y ayudar al flujo de aire a moverse hacia los radiadores y alrededor de los sidepods. Cualquier cambio realizado en la parte delantera del coche afectará al flujo de aire que se mueve hacia la parte trasera. El equipo de ingenieros tiene que considerar que cualquier cambio en el alerón delantero tendrá un impacto sobre la eficiencia aerodinámica general de todo el coche.

Alerón Ferrari de la temporada 2005

En resumen, es decir, el alerón delantero carga con el 33% de la fuerza hacia abajo total del coche (la mitad del grupo alerón).

Para entender su funcionamiento, que es lo más importante, lo mejor es pensar en una tabla horizontal que es la que nos dará apoyo vertical, y un conjunto de lengüetas laterales (y alguna sobre el propio aleron) destinadas a alejar en lo posible el flujo del aire de las ruedas (que son un completo freno).

A parte de generar el 33% del downforce total del monoplaza, y enviar la corriente de aire a las ruedas de forma que no generen mucha resistencia (gracias al conjunto de lengüetas laterales nombradas antes), tiene la función añadida de alimentar en parte a los bajos, y canalizar el flujo de aire de la forma deseada hacia la popa del monoplaza. Otra función interesante que realiza el alerón delantero gracias a su forma, es la de deflectar aire hacia los frenos para mejorar su refrigeración.

Alerón Mclaren de la temporada 2009

La idea y el problema principal en diseño es buscar una solución de compromiso entre la generación de fuerza vertical y el desvío de aire a otras partes del coche.

Como curiosidad comparar el tipo de alerón delantero que se usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alerón que se utiliza desde la temporada 2009.

Tipo de alerón utilizado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón utilizado desde la temporada 2009

Chasis

El chasis de un F1, desde arriba y de perfil.

El chasis de un Fórmula 1 está diseñado, como todo elemento en un F1, para producir el máximo de downforce minimizando a su vez la resistencia. Para conseguirlo la parte superior del coche está diseñada para cortar el aire tan finamente como sea posible, mientras que su parte inferior se diseña para crear una zona de baja presión entre el coche y el asfalto que empuje el coche hacia el suelo. Antaño el diseño de debajo de los sidepods recordaba a un perfil aerodinámico invertido. Dichas superficies que propiciaban el efecto venturi fueron restringidas por motivos de seguridad (este efecto conjuntado con los alerones era conocido como el “efecto suelo“), y se impuso un fondo plano para los monoplazas, aún así el chasis aún es capaz de producir downforce.

Los primeros Fórmula 1 que utilizaron alerones, fueron los de los años sesenta.

El desarrollo del “efecto suelo” empezó en los años setenta cuando los ingenieros empezaron a usar “alas” montadas en los coches para generar downforce en las ruedas traseras, tal y como puede apreciarse en la imagen anterior. Por razones de seguridad esos alerones primitivos fueron prohibidos y los ingenieros fueron a la caza de otras fuentes de downforce. Esto condujo a un rediseño de la panza del monoplaza y se introdujeron los sidepods del coche que contenían los radiadores que introducían el aire debajo del coche hacia sus túneles. Dichos túneles se estrechaban en el centro y se ensanchaban hacia la parte posterior del coche. Tal y como el aire se movía hacia los túneles, se creaba un área de baja presión entre el coche y el suelo. Esto producía que el coche fuera succionado hacia el suelo. Al progresar las pruebas con estos nuevos diseños, los ingenieros se dieron cuenta de que reduciendo el flujo lateral debajo del coche mejoraba aún más el “efecto suelo“. De esta forma se adjuntaron faldas ajustables (verticalmente) en los sidepods de los coches para reducir el flujo lateral, de nuevo esto resulto en una mejora a nivel aerodinámico pero el organismo regulador de entonces tomó cartas en el asunto.

Actualmente las regulaciones de la FIA estipulan que los Fórmula 1 deben tener un fondo plano y prohíben dichas faldas. De este modo se reduce la forma de perfil invertido y se pierde downforce, que reduce la velocidad en las curvas y por lo tanto incrementa la seguridad, factor que década tras década ha ganado mucha importancia en la Fórmula 1.

A pesar de todas estas limitaciones, la geometría de la panza del coche sigue teniendo una importancia vital en la configuración aerodinámica del coche.

Aletas de Cono

Estos elementos son aletas destinadas a la corrección de los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte media y luego a la trasera.

Independientemente de su orientación, su función no es la generación de empuje, sino el redirigir, dividir y/o repartir el flujo de aire incidente en ellas.

Su función es solucionar inestabilidades, vibraciones o decaimientos de rendimiento en elementos que están por detrás en el flujo de aire, y como ocurre siempre, son elementos añadidos tras la detección de una anormalidad en algún sitio posterior.

Por esto mismo, son específicas para cada problema y cada coche. Además suelen tener cortos periodos de vida, pues suele haber soluciones menos costosas en cuando al arrastre (aunque más difíciles de implementar en el bólido).

Debido a todo lo anterior, a cada uno de los tipos que aparecen se les suele poner un nombre particular. Ejemplos de ello son:

Tabiques

Orejas

Aletas

Aquí hay que puntualizar que esas aletas gruesas y con una banda negra, no las colocan los equipos sino que las impone el reglamente para todos los bólidos y llevan alojada una mini cámara de Tv, de dónde salen algunos planos de visión frontal.

En esta zona, está el famoso tubo Pitot, en primer término, y después la o las antenas de radio. De este, ya hablaremos más adelante en la sección de este nivel dedicada a la electrónica.

Deflectores Laterales

Esquema de un deflector de un monoplaza de F1

A principio del siglo XXI hubo un debate sobre si los deflectores deberían seguir formando parte de los F1, Adrian Newey afirmó que estaba pensando en suprimirlos en sus próximas creaciones y que los futuros McLaren ya no llevarían deflectores, pero estos apéndices aerodinámicos se quedarían en la F1 y cobrarían cada vez más importancia.

Los deflectores al contrario que otros elementos aerodinámicos no cumplen la función de generar apoyo o “downforce” es decir no se encargan de empujar el coche hacia abajo. Los deflectores tienen una función distribuidora de los flujos del aire.

Principalmente dos, la primera sería la de canalizar el aire hacia los pontones para mejorar la refrigeración, si os fijáis, los deflectores “imitan” la forma del chasis y suelen ir sujetos a la esquina inferior exterior del pontón en cuestión. La segunda cualidad sería la de orientar los flujos de aire por debajo del coche, sobre todo por la zona de los pontones pero orientando el flujo del aire hacia su parte inferior. Seguidamente el fondo del coche redirige esos flujos de aire hacia el difusor mejorando así el apoyo aerodinámico, ya os apunto aunque lo trataremos más detenidamente en otro post que el difusor es el elemento del coche que genera más apoyo aerodinámico por sí sólo. Por tanto, si los deflectores mejoran el flujo de aire hacia el difusor la eficacia aerodinámica es mayor

Deflectores laterales de Force India

Las funciones del sistema de deflectores, son cuatro:

1-Redirigir el aire sucio (turbulento) de las ruedas hacia fuera de los pontones.

2-Separar el flujo de aire hacia la toma de refrigeración.

3-Sellar el fondo para aumentar el efecto suelo.

4-Generación de empuje.

1) Tanto la zona exterior de los deflectores de la zona de suspensión, como el deflector, están diseñados para que el aire sucio desprendido de las ruedas sea canalizado hacia el exterior de los pontones, de forma que ese aire con tantas turbulencia no incida en la carrocería del vehículo.

2) Sin embargo, las zonas inferiores de esos deflectores que separan el aire sucio, tienen como misión mantener el aire limpio (laminado y con pocas perturbaciones) dirigido hacia la toma de aire de los radiadores que están en los pontones.

3) Al igual que con el alerón frontal, se pretende generar un “sellado” de los laterales de los bajos del coche, de tal manera que se potencie la generación de esos vórtices de alta energía, cosa que se produce en la intersección de la placa vertical con el aspa de giro.

4) Y evidentemente generar un leve empuje en los extremos en un punto muy bajo, y que generalmente suele ser asimétrico, ya que los circuitos al ser cerrados, suelen tender a cargar más curvas a un lado que al otro, así compensamos parte de las necesidades de carga de un costado y otro (haciendo las placas levemente distintas, entre otras medidas).

Deflectores laterales de Mclaren

Toma de Admisión y Anclaje para Grúa

Toma de aire y anclaje de la grúa del R30

El anclaje para grúa, es la parte elevada por encima de la cabeza del piloto, que tiene una entrada de aire más o menos grande y está rematada por el alerón superior de la cámara, impuesto por reglamento, al igual que la apertura necesaria para poder levantar el coche mediante una grúa, en caso de tal necesidad.

Es una buena zona para colocar aletas, que pueden tener múltiples aplicaciones, desde generar un alto empuje en la zona central, o redirigir los flujos de aire hacia el alerón trasero, hasta corregir inestabilidades o vibraciones innecesarias.

Pontones

Pontón izquierdo

Son la parte ancha y baja de la carrocería, que se extienden desde cada lado del habitáculo del piloto hasta el extremo final de los radiadores cubriéndolos, obviamente no cubre las tomas de aire. Desde ahí hacia atrás, se van estrechando hacia la zona central trasera, de tal manera que dan un forma de “botella de coca-cola” a la silueta del bólido.

Esa forma no es causal en la F1, ya que se basa en una regla del diseño aeronáutico, la llamada “Regla del área”. Esta regla de diseño sirve para reducir la resistencia de onda producida en el avance de un cuerpo a través de un fluido (relacionada con la compresibilidad del aire), sobre todo en altas velocidades. Resumiendo, la regla consiste en reducir en lo posible las variaciones bruscas de sección trasversal del objeto que se desplaza.

Pontón derecho

En aviones es fundamental si se quiere sobrepasar el Match 1 de velocidad, en los barcos también se usa, y en los coches es asumible para reducir las vibraciones estructurales. Lo que se traduce en estabilidad estructural y facilidad para el piloto, que no temblará tanto por este motivo, las vibraciones por el motor y suspensión son otro asunto.

Es en los pontones donde se colocan aditamentos como las famosas “branquias” y también, obviamente, las aletas de pontón, las “chimeneas”, así como los escapes que están en la parte trasera de esta cubierta.

En los pontones se sitúan las branquias de refrigeración, y los escapes, así como otros aditamientos aerodinámicos.

Aletas de Pontón

Parecería evidente que disponiendo de una zona tan amplia como los pontones, se pudiesen llenar con uno o varios dispositivos aerodinámicos que produjeran una gran cantidad de empuje, pero resulta que no es necesario tanto empuje, ya que precisamente esta es la zona de mayor peso (motor, transmisión, refrigeración…)

En lugar de esto, es preferible, ya que se gana más, mejorar el resto de prestaciones que debe cumplir la zona, a saber:

1)Canalizar mejor el aire en la entrada de los radiadores.

2)Separar el flujo de aire incidente en las ruedas traseras.

3)Dirigir el flujo de aire para que incida mejor en el alerón trasero.

4)Evacuar el aire caliente proveniente de los radiadores.

5)Evitar que los flujos de aire incidan en el chorro de los gases de escape.

6)Generación de empuje vertical.

Diferentes tipos de aletas de pontón:

Imagen a)

a)Se puede observar desde lejos la presencia de unas enormes placas en la parte anterior de los pontones. Su función es doble, incrementar lo estrictamente necesario la cantidad de aire para la refrigeración (demasiado aire producirían un efecto “caja”), y canalizar el resto del flujo para las zonas posteriores.

Imagen b)

b)Separar el flujo de aire incidente en las ruedas traseras, lo mismo que ya vimos para las ruedas delanteras en el alerón frontal.

Imagen c)

c)Dirigir el flujo de aire para que incida mejor en el alerón trasero. Esta es la misión fundamental de los llamados alerones o aletas en “R” (por similitud con la letra “r” la de un lado, la del otro estará reflejada o invertida, como es el caso de Ferrari).

Imagen d)

d)Evacuar el aire caliente proveniente de los radiadores. Por algún sitio tendrá que salir, y no parece ser recomendable que ese aire ya caliente “bañe” otra vez al motor.

Para ello hay varias soluciones, desde la colocación de rendijas por las que evacuar el aire caliente, hasta la colocación de chimeneas con su función evidente, pasando por sistemas mixtos de unos y otros, inclusive hasta abrir el chasis con agujeros para que salga directamente desde los radiadores.

También hubo quien (dependiendo del clima de la carrera) mediante carenado del interior del pontón, los llevaba por dentro, para soltarlos por la parte trasera, pero no resultaban tan eficaces como pretendían.

Imagen e)

e)Evitar que los flujos de aire incidan en el chorro de los gases de escape. Esto puede parecer menos claro, pero en esencia es evitar que los flujos “limpios y fríos” que venimos transportando desde el frontal, incidan o se mezclen con los gases calientes y turbulentos de los escapes, lo que reduciría enormemente la eficacia del alerón trasero. Para ello una solución simple y con beneficios añadidos consiste en digamos “hacer hueco” para el chorro de gases de escape, de tal manera que no se pierda la dirección correcta del flujo limpio para el alerón trasero y la ruedas, y por diferencia de velocidades, tirar del aire caliente, mejorando la extracción de los gases y ganando potencia en el motor.

Imagen f)

f)Generación de empuje vertical. La forma intrínseca del chasis del pontón contribuye a ello, además de los empujes generados por los elementos deflectores de los apartados b) y c) de esta sección. Sin olvidarnos de que la parte baja de esta sección, está remada por una especie de faldón, para tratar de mantener el indispensable efecto suelo.

Tapa Motor

Tapa Motor

Es la parte que se eleva desde la zona “horizontal” de los pontones, la “joroba” del carenado de fibra de carbono. No incluye la “caja de aire”, es decir la toma de aire para la combustión del motor, que está carenada en otra pieza aparte.

No se suele llevar ningún tipo de aditivos aerodinámico, pues no tiene puntos resistentes para la transmisión de fuerzas al cuerpo del vehículo. Claro que esporádicamente, aparece incorporado algún tipo de divisor de flujo o algún aletín de estabilización.

Alerón Trasero

Alerón trasero

La configuración del alerón trasero se determina (de forma incluso más crítica que en el caso del delantero) según el tipo de circuito en el que se corra.

Existen según el actual reglamento técnico de la Fórmula 1 tres tipos de configuraciones:

  • Baja downforce
  • Estándar downforce
  • Alta downforce

De nuevo el compromiso está en conseguir una óptima relación downforce/resistencia. El alerón trasero de tres alas en cascada (puede asimilarse a una pequeña cascada de álabes) se usa en los circuitos lentos y es capaz de producir una fuerza de hasta 13.000 N que también maximiza la resistencia. El alerón estándar de utilizado en circuitos mixtos está formado por dos alas que producen menos downforce y resistencia. El alerón usado en circuitos rápidos es el más pequeño de todos, consta solamente de un ala casi plana y produce la mínima resistencia.

Al moverse el flujo de aire hacia la parte posterior del coche, este es cada vez más turbulento. La estela del alerón delantero, los espejos, el casco del piloto, las ruedas delanteras, los sidepods y otros elementos influencian el flujo de aire y provocan que este sea totalmente turbulento al llegar a la parte trasera del coche. Consecuentemente, el alerón trasero no es tan eficiente como el delantero y aún así este debe generar más del doble de downforce para equilibrar el monoplaza. Por tanto el alerón trasero está diseñado para producir un alto downforce. Por consecuencia el alerón trasero, junto a las ruedas es el elemento responsable de la mayor parte de la resistencia, de nuevo la clave reside en la relación downforce/resistencia, la downforce es necesaria para entrar y salir rápidamente de las curvas, y la baja resistencia para alcanzar altas velocidades en las rectas. La eficiencia del alerón trasero depende de los mismos parámetros que el alerón delantero (Alargamiento, ángulo de ataque y resistencia).

Alerón trasero Ferrari temporada 2009

Por tanto, podemos decir que el alerón trasero tiene dos misiones fundamentales:

  • Generar el máximo de empuje vertical (downforce) con el mínimo arrastre y vibración. (drag).
  • Crear una zona de baja presión debajo de él, o lo que es lo mismo, encima del difusor.

Esto, es algo fácil de decir, pero extremadamente difícil de conseguir. Sobre todo si se tiene en cuenta lo anteriormente dicho y explicado sobre la multitud de zonas anteriores a esta, que hacen que el comportamiento exacto de este alerón dependa de la propia constitución de estas y de la calidad del aire incidente de estas.

Alerón trasero Mclaren temporada 2009

La normativa que se le aplica a este alerón, es de lo más estricto, ya que tiene una flexión limitada, unas alturas limitadas, unos materiales limitados…

Como curiosidad comparar el tipo de alerón trasero que se usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alerón que se utiliza desde la temporada 2009.

Tipo de alerón trasero usado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón trasero usada desde la temporada 2009

Fondo Plano

El fondo plano, es la parte más baja del monoplaza, ya que este es la superfície sobre la que va todo el monoplaza en si. Es decir, el fondo plano son los bajos de los monoplazas de F1, y por ello son la parte que más cercana está al asfalto.

El objetivo de todo ingeniero, en lo que respecta al fondo plano, es hacer que circule la menor cantidad de flujo de aire posible por debajo del coche, para que el dowforce del monoplaza aumente. Para tratar de conseguir esto existen diferentes métodos:

  • Vórtices del alerón delantero en un determinado sentio, para extraer aire de debajo del coche.
  • Apédices colocados debajo de la abertura de los pontones, para desviar y alejar el flujo de aire de la parte baja del coche.
  • Lábios en los extremos de la superfície del fondo plano, justo debajo de los pontones ( a cada lado de la cubierta motor) con el fin de extraer aire de debajo del coche.

En la parte central de este, se suele colocar como una tabla de madera, para evitar que se desgaste el fondo. Esta tabla la impone el reglamento para evitar que el bajo del coche este demasiado cerca del suelo, ya que según la normativa tiene que haber una distancia mínima de 100mm entre el fondo plano y el asfalto. De lo contrario, si la la tabla se desgasta más de lo que permite el reglamento (1mm), la escuderia puede ser sancionada.

Por cierto, se admite otro material que no sea madera, con la condicion de que la densidad de dicho material esté entre 1,3 y 1,45 g/cm3.

En la imagenes siguientes, se puede apreciar el fondo plano de un monoplaza de F1.

Fondo plano del RB5. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

Fondo plano del MP4-24. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

Fondo plano del MP4-24. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

Final del fondo plano del MP4-24, en el cual se puede observar, el final de la tabla de madera, y el difusor completo.

Difusor

Difusor de F1

Un último elemento aerodinámico de mucha importancia en un Fórmula 1 es el difusor. Gran parte de la downforce se obtiene de un difusor que se endereza de la parte de debajo del eje de las ruedas traseras y tiene una geometría tal que mejora las propiedades aerodinámicas del coche, optimizando la transición entre el flujo de alta velocidad de debajo del coche con el flujo mucho más lento de la parte superior (a presión atmosférica, contrastando con el flujo a baja presión de debajo del coche).

Funciona proporcionando un espacio para el flujo de debajo del coche para desacelerarse y expandirse de forma que la capa entre el flujo de aire del coche y el externo sea menos turbulenta. También proporciona cierto grado de “estela de relleno“.

Recorrido del flujo de aire por el difusor

De esta forma el flujo de aire debajo del coche se controla mediante el difusor trasero. Su diseño es de una importancia vital, puesto que cuánto más rápido el aire sea capaz de salir del coche, más downforce se produce.

Como se puede observar en las imagenes siguientes, un difusor está formado por una sola pieza.

Difusor visto por delante

Difusor visto desde atrás

Por último, decir que el difusor suele formar parte del fondo plano, al unirse con este. Esto es algo que se puede apreciar, más que bien, en la imagen siguiente.

El difusor forma parte del fondo plano del monoplaza

El Casco

Recorrido del flujo de aire, a su paso por el casco del piloto

El casco de los pilotos, como moderno yelmo de los antiguos caballeros medievales, muchas veces nos habla de la personalidad de su propietario.

Pero más allá de las fábulas y de los entronques históricos que la imaginación quiera establecer, los cascos de nuestros pilotos tienen una función clara y concreta: la protección de la integridad de sus propietarios.

No obstante, siendo esta la aplicación primaria del los cascos integrales, que se utilizan en la mayoría de las disciplinas deportivas automovilísticas, no hay que olvidar el principio básico de toda competición.

Por definición de competición, todos y cada uno de los elementos que componen un coche destinado a este fin, sirven para algo: no hay nada inútil.

Existe una premisa básica en competición, que dice así: “si he de colocar un elemento por causas mayores, he de diseñarlo de forma y manera que sirva o cumple otra función beneficiosa para la dinámica del coche“.

Bajo este prisma de diseño, el casco, como elemento indispensable y necesario, hay que diseñarlo de forma que actúe de forma beneficiosa en alguna medida.

Análisis del comportamiento aerodinámico de un casco de F1 mediante CFD

Principios del casco de F1

Dado el lugar donde se ubica el casco, podemos, en principio, hacer que actúe en 2 aspectos:

1. Adecuando el flujo hacia la toma de admisión:

Ya que en función de si se canaliza o no, mediante un apéndice colocado en el alerón delantero, el flujo de aire, se podrían obtener aumentos de potencia de hasta 5 CV o quizás más.

2. Adecuando el flujo de aire hacia la popa (alerón trasero y difusor):

En este caso, la eficiencia del alerón trasero y también del difusor aumentan de forma considerable.

En un principio y ello es verdaderamente así, los diseños de un casco son diferentes en función de la categoría donde se dan. Las funciones son diferentes y por lo tanto, los diseños han de ser diferentes.

  • Si se pretende canalizar de forma idónea el flujo de aire hacia la toma de admisión, el diseño del casco ha de permitir un flujo superior enfocado hacia la toma de admisión, teniendo en cuenta una desviación de flujo no necesario o excedente.
  • Si se pretende canalizar el flujo de forma adecuada hacia la popa del coche, el diseño ha de permitir un flujo a su alrededor con baja resistencia, siendo la popa del casco zona importantísima para que el flujo no sea turbulento o cause alteraciones en el mapa de presiones o turbulencias periódicas-

Por si fuera todo esto poco, notar lo siguiente: en un coche de GP2, la variación de tan sólo 2 cm de la altura del casco, produce una variación de 5 kilos en la resistencia; al fin y al cabo, estos kilos de resistencia son caballos de potencia que se restan….

Por todo lo dicho, se hace indispensable un diseño a medida de cada piloto, competición y demás variables que intervienen.

 

Fuente: El Rincón de la Formula 1

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Un pensamiento en “La arodinámica

  1. me gustaría que pusieran un ejemplo de la aplicación de la ecuación de Navier-Stokes

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