AERODINÁMICA AERODINÁMICA EN LA FÓRMULA 1
Raúl Domínguez Rojas José Juan Flores Raposo José Luis Mateos Corona Alberto Portillo González Jaime Vázquez Rubio
INTRODUCCION A LA FORMULA 1
La principal razón para la construcción de un formula 1 es la velocidad. La velocidad no es solo un problema de potencia motriz, un coche con un mal diseño puede tener un mal agarre sobre la pista, y nunca ganar una carrera. Para incrementar el agarre, es necesario aumentar el coeficiente de rozamiento entre el neumático y la pista, incrementando la carga vertical sobre el neumático. El trabajo del ingeniero de aerodinámica es diseñar una carrocería que maximice la fuerza en dirección al suelo, fuerza descendente y minimizar la fuerza a la que eso se opone al movimiento (resistencia), resistencia aerodinámica. La forma aerodinámica de un formula 1 ha ido cambiado, sucesivamente, haciendo una de las principales prioridades, en el proceso del diseño. Como resultado, los ingenieros especializados en aerodinámica se han hecho parte esencial del e quipo.
Hasta 1958, los automóviles de carreras habían evolucionado, basándose principalmente solo en la potencia de los motores y el peso de los vehículos. Los automóviles en aquellos entonces eran producto del poderío de la industria alemana y los producidos por los artesanos italianos. Uno de los hombres que mas contribuyo al desarrollo de la ingeniería en los vehículos de carreras fue Colin Chapman, ingeniero aeronáutico, y fundador de Lotus,
INTRODUCCION A LA FORMULA 1
La principal razón para la construcción de un formula 1 es la velocidad. La velocidad no es solo un problema de potencia motriz, un coche con un mal diseño puede tener un mal agarre sobre la pista, y nunca ganar una carrera. Para incrementar el agarre, es necesario aumentar el coeficiente de rozamiento entre el neumático y la pista, incrementando la carga vertical sobre el neumático. El trabajo del ingeniero de aerodinámica es diseñar una carrocería que maximice la fuerza en dirección al suelo, fuerza descendente y minimizar la fuerza a la que eso se opone al movimiento (resistencia), resistencia aerodinámica. La forma aerodinámica de un formula 1 ha ido cambiado, sucesivamente, haciendo una de las principales prioridades, en el proceso del diseño. Como resultado, los ingenieros especializados en aerodinámica se han hecho parte esencial del e quipo.
Hasta 1958, los automóviles de carreras habían evolucionado, basándose principalmente solo en la potencia de los motores y el peso de los vehículos. Los automóviles en aquellos entonces eran producto del poderío de la industria alemana y los producidos por los artesanos italianos. Uno de los hombres que mas contribuyo al desarrollo de la ingeniería en los vehículos de carreras fue Colin Chapman, ingeniero aeronáutico, y fundador de Lotus,
fabricante de coches deportivos, aportando revolucionarias ideas derivadas de sus estudios aeronáuticos. Ejemplo el Lotus 25 con el chasis monocasco:
Y la aparición de alerones en los coches de Fórmula 1, durante el G.P. de Mónaco en 1968. La aportación más genial, o como mínimo la que más ríos de tinta generó, fue la introducción del concepto "efecto suelo" con su Lotus 78 .
En 1978 Lotus pensaba que habían resuelto este acertijo eficazmente cuando su diseñador. Meter Wright, descubrió el efecto suelo. Con ello e llo Lotus podía incrementar el nivel de downforce mucho más que sus rivales. Aunque el concepto ya había sido utilizado por el Chaparral 2j de Jim Hall.
Por aquel entonces los coches ya habían sufrido una gran transformación en su diseño, desatándose una carrera en busca de elementos y formas aerodinámicas que permitieran al vehículo tener mas agarre en las curvas y velocidad punta en las rectas. La aerodinámica fue adquiriendo progresivamente mas importancia en el diseño de los coches a partir de la aparición de perfiles aerodinámicos a finales de los años 60, dando lugar a una carrera de innovaciones en el diseño de vehículos, así como los artilugios que utilizaban para mejora la aerodinámica, aunque no todos daban el resultado buscado. Finalmente, los cinco parámetros fundamentales en determinar la potencia de un formula 1 fueron: fuerza motriz peso downforce resistencia aerodinámica agarre de neumático Con la aparición de nuevas tecnologías, (túneles de viento, programas informáticos,..), materiales y sobretodo con la gran cantidad de dinero que ingresaban las carreras fue posible la investigación y desarrollo de la aerodinámica del automóvil adaptándose a las nuevas reglas que regulan la competición competición impuestas por la FIA. FIA.
FUERZAS AERODINÁMICAS Y SU FUNCIONAMIENTO Fuerzas Aerodinámicas: Existen básicamente, 3 fuerzas: la fuerza de sustentación (lift), la de resistencia (drag) y momentos en general; éstos últimos, se definen como el producto de la distancia del punto de aplicación de determinada fuerza al centro de gravedad de la estructura, por la propia fuerza ejercida sobre dicho punto. Sustentación- la DownForce (sustentación negativa) es la responsable de la adherencia de los neumáticos, así como en la reducción del tiempo de paso por curva. Resistencia- reduciéndola, se consigue aumentar la velocidad. Hay que recordar que ambas fuerzas son dependientes, y esta dependencia, hay que tenerla en cuanta siempre: si se aumenta la downforce, se aumenta la resistencia.
Venturi / Bernouilli Prácticamente ya se ha definido; existen 3 tipos de energía; la potencial (por cota o altura), la cinética (por velocidad) y la de presión; al tener que conservarse, en todo proceso, la cantidad total de energía, la suma de las 3 energías, ha de permanecer constante. Esa es la ecuación o principio de Bernouilli; de esta forma, si la presión aumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa; ya se sabe, la presión es inversa a la velocidad. El efecto Venturi, también es una consecuencia directa: si en cierto fenómeno por donde pasa el aire, hay un cambio de sección, por ejemplo de mayor a menor, la cantidad de aire que entra ha de ser la misma que la que sale (cosa lógica por otra parte), con lo que por la sección mayor, la velocidad del aire será menor que la velocidad del mismo aire al pasar por la sección menor. Esto es el efecto Venturi: al aumentar la velocidad, la presión disminuye y viceversa. Bajo este principio, se puede entender y comprender la sustentación de un ala cualquiera (o perfil aerodinámico en general):
Efecto suelo Aplicando el principio de Bernouilli a la competición en f1 se consigue llegar al efecto denominado “efecto suelo”, por el cual se intenta optimizar las corrientes que atraviesan el vehículo para general mayor downforce, es decir, mayor adherencia al suelo. Si se supone un coche cuyo suelo está sellado totalmente; dicho coche no tendrá fuerza significativa en sentido vertical (hacia arriba o hacia abajo) solo aquella debida a la forma del propio vehículo; si se sella la popa del suelo únicamente, se generará una alta presión en la parte inferior, haciendo que el coche tenga mucha fuerza de sustentación, levantándose hacia arriba; si por el contrario, se ella únicamente la proa, obtenemos el efecto contrario (deseado) que es el de generar downforce. De esta manera el efecto suelo consiste en acelerar el flujo del aire bajo el coche dándole más velocidad y así más adherencia.
El típico suelo con el que se puede encontrar en la mayoría de coches utilitarios, es el plano. En la competición para optimizar la circulación de aire y su depresión, y producir escasa resistencia por ejemplo, se puede suavizar el contorno del suelo del vehículo, tanto en la proa como en la popa Por último y como optimización total, se puede inclinar el suelo con respecto al asfalto, de manera, que la abertura de entrada sea menor que la abertura de salida; de esta forma se aumenta la depresión que reina en el suelo, aumentando la downforce; y además se creó filamentos llamados “faldillas” en los laterales del suelo para no dejar escapar el aire y así multiplicar el efecto suelo. Es muy importante hacerlo así y no al revés, puesto que se corre el riesgo de hacer volar al coche, en el caso de un bache o algo parecido. Aun así este efecto conlleva demasiado riesgo, por lo cual fue prohibido habiendo ocasionado algunos accidentes, entre lo mas recordados está el que sufrió el canadiense Gilles Villeneuve, que tras chocar su rueda delantera con un Ferrari, el vehículo “saltó” por los aires causando la muerte del piloto.
En la actualidad a consecuencia de la prohibición de este fenómeno, se usan o tros elementos para controlar la salida del flujo en la popa como dicha técnica mas moderada o el difusor; un túnel que es colocado en la parte baja y trasera del vehículo que juega el papel de acelerador del flujo que atraviesa el suelo del coche. El 40% de la carga aerodinámica la da la forma del difusor interno. Resistencia La Resistencia es la fuerza que se opone al movimiento en el aire. La resistencia total que se opone al movimiento de un cuerpo es la suma de: La resistencia del perfil, la resistencia inducida y la resistencia parásita. La resistencia total es primariamente función de la velocidad.
La resistencia al avance es la provocada por el perfil con su fricción con el aire. Esta no cambia significativamente con la variación del ángulo de ataque, pero se incrementa moderadamente con el aumento de la velocidad. La resistencia inducida es la resistencia producida como resultado de la producción de sustentación. Altos ángulos de ataque, que producen más sustentación, producen alta resistencia inducida. La resistencia inducida es una de las fuerzas aerodinámicas opuestas a la sustentación. La resistencia parásita es la producida por todos aquellos componentes no generadores de sustentación. Capa Límite En la evolución del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, dicho aire se pega sobre el cuerpo, creando una capa muy fina de moléculas en principio. Al discurrir sobre esta fina capa, más moléculas del mismo aire, y debido a la viscosidad principalmente, éstas últimas ralentizan su velocidad, debido a que discurren sobre otras moléculas; así capa tras capa, se forma una capa de moléculas de aire, cuya última, posee ya casi la misma velocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite;
técnicamente se define capa límite y su espesor, como el espesor a partir del cual, la velocidad es del 99% del flujo real. En cuerpos relativamente pequeños como lo es un coche de competición, suele tener como máximo unos pocos milímetros, y ni tan siquiera tanto.... todo depende de la longitud del cuerpo, en relación al sentido de la dinámica; por esta razón, en trenes y al final de ellos, la capa límite puede llegar hasta 0.5 metros; de hecho y si se pudiera hacer, se podría sacar la mano al final y sobre el techo de este último vagón, y apenas notaríamos la velocidad del aire.
EVOLUCIÓN AERODINÁMICA DEL VEHÍCULO Al diseñar un coche de competición se llevan a cabo distintas pruebas aerodinámicas para determinar datos como los coeficientes aerodinámicos (sustentación, resistencia, etc.), la distribución de presiones sobre la carrocería y la visualización del flujo del aire alrededor del automóvil. Existen dos tipos de ensayos: las pruebas en pista y la simulación en túneles de vientos.
Simulación CFD: Una simulación CFD (Codes Fluids Dynamics) no es más que simular, visualizar, calcular y determinar a priori, cuál será la dinámica del fluido y del coche, antes de tenerlo construido. Para ello, es necesario e imprescindible, disponer del modelo, pieza o coche en su totalidad, en formato CAD, o al menos, en aquel formato que requiera y necesite el software CFD que usemos. La estructura básica de un CFD, es la siguiente: a) Preprocesador: la parte del programa que dibuja adecuadamente el diseño y lo adecua al CFD; se encarga de preparar el problema a resolver. b) Procesador: la parte del programa que resuelve el problema. c) Post-procesador: la parte del programa que visualiza y analiza los resultados obtenidos. Problemas: Los problemas son diversos; en un primer lugar la definición o planteamiento del problema a resolver es complicada y difícil; es necesario disponer de una amplia base de datos de ensayos reales sobre el problema, para que de esta forma, la simulación por ordenador sea todo lo fiable que se quiera (no se trata de generar un abanico de colores, que queda bien, no lo niego, pero es inútil....); dichos datos iniciales se denominan condiciones iniciales y condiciones de contorno; por otro lado, cuanta más exactitud se requiera o necesite, más complejo tendrá que ser el software usado y la plataforma hardware que utilizaremos para correr el programa, así como más tiempo necesitaremos invertir (tiempo de cálculo) para obtener las soluciones. Otro de los problemas fundamentales es el mallado de la geometría; en definitiva, cuando intentamos resolver cierto problema, tenemos una geometría, la cual, en términos puramente matemáticos, está compuesta por infinitos puntos; obviamente, ningún ordenador ni software que exista en la actualidad y en ningún futuro, es capaz de procesar “infinitos” puntos; para ello, lo que se hace es discretizar el espacio, de tal forma que en lugar de infinitos puntos o nodos, usamos sólo unos cuantos (en ocasiones varios millones); para generar estos nodos, se realiza el mallado del espacio
o problema. En la mayoría de ocasiones, si se pretende obtener unos resultados fiables, con mucha exactitud y precisión, el mallado no es una tarea nada fácil, y sólo al alcance de especialistas en el tema. Ventajas: Las ventajas son obvias: el tiempo necesario a invertir para desarrollar cierto diseño, es extremadamente corto, comparado al usado hace unos pocos años. Por otro lado, el cambio de geometría de un diseño, implica una pequeño cambio en el formato de dibujo correspondiente, pudiendo repetir la simulación en breve espacio de tiempo. Proceso de simulación: El proceso de toda simulación, es el siguiente: 1. Obtención del diseño en CAD (o formato de dibujo que sea capaz de leer y tratar el software CFD que tengamos y vayamos a usar). 2. Elaboración, descripción, cálculo preliminar con métodos CFD potenciales (sin tener en cuenta la viscosidad o la turbulencia), conocimiento de las condiciones iniciales y de contorno, del problema a resolver. 3. Mallado de la geometría. 4. Resolución del problema. 5. Análisis de las soluciones. 6. Vuelta (o no), al paso 1. Aplicaciones y Prestaciones: Las aplicaciones son múltiples y muy diversas; en resumen, se refieren a todos los campos, en los que la dinámica de cualquier fluido, es esencial y es parte del problema o solución; parte de ellos, también son los problemas termodinámicos (refrigeración, por ejemplo, tan importante en el mundo de la competición):
Por otra parte y como complemento a un buen diseño o análisis CFD, se encuentra el análisis estructural; toda dinámica de cualquier fluido, provoca esfuerzos, torsiones, deflexiones, momentos y fuerzas en general, sobre los materiales y estructuras de los que se compone el problema o coche a resolver; podemos, a partir de los resultados CFD y mediante un software especial, analizar y conocer todas esas fuerzas para de esta forma, añadir refuerzos donde convenga, a conocer a priori los límites de rotura, o las deflexiones, etc....
Pruebas en túnel de viento La ventaja de las pruebas en un túnel de viento es que los datos aerodinámicos los proporcionan los instrumentos del propio túnel, sin embargo, para que la simulación se ajuste adecuadamente a la realidad es necesario hacer algunas correcciones. A continuación se explican y se proponen soluciones a los problemas típicos: •
Simulación de suelo móvil: la necesidad de simular el movimiento del coche respecto al suelo reside en las variaciones de espesor de la capa límite del suelo. Estas diferencias afectan a la sustentación del coche e impide calcular un coeficiente fidedigno. Existen varias formas de contrarrestar este efecto: elevar el modelo por encima de la capa límite, succionar el aire delante del vehículo o crear una placa de succión debajo de él.
•
Rotación de las ruedas: Como se dijo en el apartado anterior, las ruedas también aportaban resistencia y sustentación al vehículo, por lo tanto, se necesitan unas ruedas rotatorias, al igual que en la realidad, para que el resultado sea bueno. Para lograr el efecto de movimiento deseado se montan unas estructuras rotatorias bajo las cuatro ruedas y se sincroniza la velocidad de éstas con la velocidad del viento. Los huecos se sellan con materiales flexibles para impedir la circulación de aire bajo las ruedas.
Pruebas en pista La ventaja de las pruebas en pista reside en que parámetros como la velocidad máxima o el radio mínimo de giro pueden ser fácilmente evaluados. Las principales dificultades de este tipo de pruebas son dos: la limitación de espacio disponible en el vehículo para transportar instrumentos de medición y que, al contrario que en los túneles de viento, no se tiene control alguno sobre las condiciones atmosféricas.
Medida de la sustentación La técnica tradicional para medir la sustentación se basa en la observación del nivel de los amortiguadores durante el rodaje. De este modo, la distribución de cargas en cada rueda es directa, pero no tiene en cuenta la sustentación creada por las propias ruedas. Este inconveniente se salva probando diferentes configuraciones del alerón trasero y comparándolas entre sí. Medida de la resistencia El método más común para evaluar la resistencia total del coche es la técnica de deceleración (en inglés, Coast-Down Test) que consiste en medir el tiempo de parada del vehículo partiendo de una velocidad inicial sin aplicar el freno y dejando suelto al motor. Es una forma eficaz y sencilla con la que el coeficiente de resistencia se calcula evaluando los efectos inerciales del coche (2ª ley de Newton). Distribución de presiones sobre la carrocería En este caso el método no varía entre una prueba en pista y en un túnel de viento. Se le practican pequeños orificios a la chapa que se conectan con transductores (dispositivos capaces de transformar una energía entrante en otro tipo de energía) que miden la energía mecánica producida por la presión. De este modo se mide la presión estática local, pero para obtener el coeficiente de presión necesitamos también la presión dinámica, que puede medirse con tubos de pitot. Los principales inconvenientes de esta prueba son: el espacio limitado para instrumentos y la posibilidad de que se obstruyan los orificios con arena y pequeños insectos.
Flujo del aire Éste es un ensayo fundamental de cuyos resultados puede depender una reestructuración total del vehículo. Se dividen en dos tipos de pruebas:
Sobre la superficie: pequeñas varillas de pegamento hilado se unen a la carrocería por un extremo y se dejan libres por el otro, orientándose en la dirección del viento. Bajo la superficie: unos dispositivos colocados bajo la chapa desprenden humo por los orificios de la carrocería. La prueba es similar en un túnel de viento.
PARTES DE UN FÓRMULA 1 Y SU FUNCIONAMIENTO En esta sección vamos a hablar sobre las distintas partes de un Formula 1 y como afectan al rendimiento del coche, siempre aerodinámicamente hablando. El coche lo dividiremos en los siguientes apartados que son: Alerones (delantero y trasero), ruedas, deflectores, difusores, chimeneas, suspensiones, casco, retrovisores.
ALERONES
La interacción de un alerón con el coche es muy importante, ya que se encargan prácticamente de toda la sustentación del vehículo y sin ellos los fórmula 1 no podrían tomar las curvas a la velocidad que lo hacen. De hecho, la sustentación inducida por la presencia de un alerón en el coche puede ser tan grande como la sustentación del mismo alerón. Los alerones, como se puede ver a simple vista tienen una proporción muy pequeña frente al coche, particularmente los alerones traseros. Una propiedad de este tipo de ala de baja proporción es la retrasada entrada en pérdida, lo que quiere decir que el ángulo de ataque de este tipo de alerones puede ser incrementado más de lo esperado, sin tener una repentina pérdida de sustentación. Posicionamiento de los alerones Actualmente, los fórmula 1 de hoy en día se limitan a tener dos alerones uno en la posterior del coche y otro en la anterior, pero esto no ha sido así siempre y se han requerido años de estudio para estudiar la posición ideal de estos. En la siguiente comparación se puede ver el análisis de varios prototipos con diferentes posicionamientos de los alerones. Algunas configuraciones testadas y sus coeficientes aerodinámicos son mostrados en la siguiente imagen (sólo unos pocos fueron testados a escala real).
La primera conclusión a primera vista es que los alerones montados en el centro (entre los dos ejes) son menos eficientes que los que están montados o en la parte delantera, o en la parte trasera. En términos de controlar la proporción de sustentación delantera/trasera, el concepto de dos alerones (Nº 7) parece de ser el más eficaz y fácil de ajustar. El alerón central (Nº 4) parece no trabajar tan bien debido a la desfavorable interacción del alerón con el coche. Además, la estela formada por el alerón central reduce la eficiencia del alerón trasero, causando una localización del centro de presión del vehículo demasiado adelantada. El concepto de ala delta (Nº 3 y 6) parecen funcionar solo cuando se les aplica un alerón trasero. Con un alerón situado
detrás del ala delta (como en 6), el alerón trasero es totalmente inefectivo debido a la estela del vórtice creado por el ala delta. Pantallas de extremidad: Dado un alerón, se sabe que sobre el extradós, se produce una baja presión; evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula esta zona, se introduzca en ella, para aumentar la presión:
Se puede observar los vórtices de extremidad dibujados. Esta circulación de aire, hace que lo que se suponía que generaba sustentación negativa (que era justamente esta depresión) o deja de existir o disminuye drásticamente; para evitar tal efecto, se colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que impiden esta circulación no deseada de aire desde las zonas de alta presión, hasta las zonas de baja presión. Algunos aviones, suelen tener esta pantallas también sobre todo, si la envergadura es corta, cosa que no pasa si la envergadura es grande, conocido como winglets. Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de tamaño, de estas pantallas, radica el truco; no es necesario que el diseño de dichas placas sea cuadrado o rectangular, por ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga más falta su presencia, sean más grandes. Sujeción de un alerón: Hemos visto que dada la peculiar forma de un alerón, la fuerza total de sustentación (el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de presión) y de resistencia (inseparables), provoca una fuerza de rotación del alerón; es necesario tener en cuenta esta fuerza y dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buen sistema de anclaje de los alerones; de esta forma, se evita problemas de rotura por una mala fijación, y esfuerzos extras en los mismos alerones, que también pueden desembocar en una rotura del mismo. Existen muchos tipos de fijación de los alerones, tanto traseros como delanteros:
Alerón delantero
Los coches de competición que poseen el motor detrás, que son casi todos (Fórmula 1 y Fórmula GT por ejemplo), necesitan que la proa del coche genere downforce, para que los neumáticos delanteros tengan agarre sobre el asfalto. De todas formas, existen más razones, como se verá, para la existencia e instalación de los alerones delanteros. Función: Las funciones del sistema del alerón delantero, se puede clasificar en 5: • • •
• •
Generación de downforce. Separar adecuadamente el flujo de las ruedas delanteras. Adecuar el flujo que pasa por debajo del suelo y a los pontones de refrigeración. Adecuar el flujo a cierta zona del coche (casco del piloto por ejemplo). Sellar el suelo, por métodos aerodinámicos.
La primera función, es la que habitualmente todo el mundo conoce; de todas formas, las otras 3, son más importantes si cabe, por cuanto son más difíciles de llevar a cabo, de una forma óptima.
Las ruedas de un coche de F1, generan, aproximadamente, el 40% de la resistencia total del coche; por tanto, si existe un lugar donde se debe hacer hincapié para reducir la resistencia, es justamente éste. Para ello, haciendo que el flujo no incida directamente sobre las ruedas, aprovechando que el alerón está por delante, se diseña dicho alerón para que desvíe el flujo alrededor de las ruedas, reduciendo la resistencia aerodinámica.
Por eso los alerones delanteros se encuentran tan adelantados. Es cuestión de momentos: cuanto más adelantados se encuentren, menor fuerza se necesitará que generen por ellos mismos, para que las ruedas posean una downforce determinada. Obviamente, esta posición, está legislada y limitada, por la Normativa Técnica de carrera. Otra de las funciones añadidas que tienen estos deflectores de flujo delanteros, es la de impedir el flujo de aire desde la zona de alta presión a la zona de baja presión (a modo de pantallas de extremidad); de esta forma, la resistencia de todo el sistema, se reduce considerable y apreciablemente. En lo que respecta al “efecto suelo”, el alerón delantero, adecúa el flujo que ha de pasar por debajo del coche, con el fin de generar downforce, para que se acelere y así, reducir la presión por la parte inferior y provocar la “succión” del coche. En este efecto, también tiene influencia en difusor, por cuanto en líneas generales, el tamaño del difusor ha de ser tanto mayor, cuanto más aire pase por debajo del coche. Obviamente, el tamaño del difusor e incluso “casi” su geometría, viene muy limitado por Normativa, con lo que el resto viene ya dado y limitado. De todas formas, existen 2 tipos generales de diseño: Curvados, en la parte central hacia arriba:
Curvados, en la parte central, hacia abajo:
Mediante este tipo de diseño, es posible incluso, acelerar ya el flujo, antes de introducirse en la parte inferior del suelo; de esta forma, la eficiencia aumenta. Por otro lado, cabe hacer mención al hecho de que los alerones delanteros, no han de dificultar la entrada de aire a los pontones de refrigeración; para ello, en la parte central de los alerones, no se colocan “demasiadas cosas”, que dificulten o impidan este flujo:
En las fotos, se puede apreciar que en la zona central, la cuerda es mucho más pequeña que a medida que nos alejamos del centro. Ello es debido a no impedir el flujo de refrigeración, cosa extremadamente importante. Aprovechando que los alerones de proa, son la pieza más adelantada del coche, podemos reducir o mitigar, ciertos efectos aerodinámicos que tiene lugar, aguas abajo. Por ejemplo, se comprobó esta misma temporada, que el R25 de Renault, poseía unas pequeñas vibraciones aerodinámicas que afectaban al casco del piloto,
con los graves inconvenientes que tenía esto; para evitarlas, se optó por modificar el alerón delantero (además de colocar unos pequeños apéndices laterales por encima del morro) que hacían desaparecer dichas vibraciones o turbulencias, en definitiva. Es posible, por tanto, aprovechar el alerón delantero y su bancada, para realizar ciertas acciones o efectos aerodinámicos, que tiene lugar más atrás.
Es posible “sellar” por métodos aerodinámicos, el suelo; de esta forma, estamos “conservando” la depresión que se ha generado en la parte inferior, y que por tanto, es la encargada de generar downforce. Alerón trasero
La función del alerón trasero es bastaste más sencilla que la del alerón delantero. Su única función es la de proporcionar sustentación al coche, consiguiendo la mejor relación L/D posible, jugando con el numero de planos que posea o con el tamaño de las pantallas de extremidad. En la siguiente gráfica se puede ver una comparación de la eficiencia del alerón según el número de planos que se le añada a este:
También es muy importante tener en cuenta la influencia provocada por las ruedas, ya que la estela producida por estas puede reducir drásticamente la eficiencia del alerón, y para ello se tiene que procurar un buen diseño de las pantallas de extremidad para intentar aislar el alerón del flujo proveniente de las ruedas. A continuación podemos ver una gráfica en cómo afecta la inclusión de una pantalla de extremidad a un alerón trasero de un Indy car .
RUEDAS
Las ruedas son uno de los componentes que más influye en la aerodinámica del vehículo. Por ello, uno de los aspectos más importantes de estas es entender la influencia de los efectos superficiales en los coeficientes aerodinámicos del coche completo. Esto puede a menudo ayudar a explicar las diferencias entre los resultados basados en túneles de viento a escala reducida, con modelos simplificados (ej. Ruedas que no están en rotación) y los datos actuales en carrera. Primero, considerar el simple flujo sobre un cilindro. Las trazas del humo de las líneas de referencia de este caso se pueden ver en la siguiente figura.
Las líneas de guía se separan detrás del cuerpo, creando una larga estela periódica. Cuando el cilindro está situado contra el suelo (que es al fin y al cabo donde una rueda tiene que estar), la estela periódica se reduce, pero la gran región del flujo separado esta todavía presente. Además, la presencia del suelo fuerza una condición
de velocidad cero cerca de la zona de contacto del neumático, que creará sustentación en la rueda/cilindro. La principal razón de presentar esta genérica visualización del flujo es para enfatizar la separación del flujo causado por los open-Wheel q ue generan estelas periódicas que pueden afectar a otras partes del vehículo, y que en ruedas aisladas tendrá una sustentación positiva.
El siguiente paso es observar el flujo sobre ruedas en movimiento. La naturaleza del flujo no cambia en exceso de lo mostrado anteriormente, pero la localización del punto de separación es mucho más representativo en las ruedas de los coches de competición. El efecto de rotación en la localización del punto de separación frontal (superior) es enfatizado por esta imagen. En una rueda estacionaria la separación parece estar tras el punto más alto de la rueda (aproximadamente (teta) 160º. Aunque para las ruedas giratorias, el punto de separación superior se mueve hacia adelante.
Para una rueda giratoria, el punto de separación delantero causa una distribución de presión casi constante tras este punto, lo que se traduce en resistencia y sustentación. Cuando este punto se mueve hacia atrás (por una rueda no giratoria), el coeficiente de presión llega a ser más negativo en la superficie superior (debido a la mayor velocidad debido al flujo local unido), causando más sustentación, mientras que una presión negativa adicional tras la rueda causa más resistencia. Así basadas estas observaciones, es de esperar que las ruedas giratorias tengan una menor sustentación y resistencia que una rueda estacionaria. El caso de que un cilindro giratorio cree sustentación (o downforce en este caso) es llamado a veces el “efecto Magnus” y este principio es usado para crear la trayectoria curvada o el efecto que se le da a un balón de futbol, beisbol, golf, etc.
DEFLECTORES O GENERADORES DE VÓRTICES
Los generadores de vórtices fueron usados durante muchos años en aviones, principalmente para controlar el flujo de la capa límite. Normalmente, el tamaño de estos pequeñas laminas generadoras de vórtices eran en proporción a la anchura de la capa límite local y servían para añadir momento a la capa límite (para prevenir la separación de la corriente del aire, etc.). En el caso que interesa, para los coches de competición, la aplicación de la forma del generador de vórtices es similar; aunque, sus efectos de la dinámica del fluido son bastante diferentes.
Las láminas deflectoras, usadas entre las ruedas delanteras y las tomas de aire, reduce potencialmente la resistencia provocada por las ruedas y mejorando la ventilación a los pontones laterales. Si a estos deflectores se les añade un plano horizontal bajo la zona de mayor presión puede también contribuir a generar algo de downforce.
Esta simple idea de los VGs fue usada de muchas formas durante los últimos 20 años y algunas de sus formas más destacadas son las mostradas en la siguiente imagen.
DIFUSOR
El difusor esta generalmente en la parte trasera del veh ículo, detrás de la l ínea de eje. Está diseñado para guiar y controlar la corriente de aire que circula debajo del automóvil, esencialmente crea un efecto de succi ón sobre la parte trasera del coche. El difusor simula un tubo de Venturi, haciendo que la presión debajo del vehículo se a más baja que la compresión en el punto de salida ya que la velocid ad del aire de abajo del coche será más alta que la velocidad del aire en el punto de salida. El difusor debe ser diseñado cuidadosamente, ya que sus dimensiones son limitadas por las reglas de carrera y su ángulo de convergencia restringido. CHIMENEA
Las chimeneas son unos componentes relativamente nuevos en la f1.Están situadas sobre los pontones de ventilación. La función principal es la de proporcionar un enfriamiento adicional al motor. Su funcionamiento está basado en la creación de una gradiente de compresión. El aumento de la velocidad del aire sobre la chimenea crea una región de baja presión que succiona el aire de los pontones laterales y el radiador, ayudando al enfriamiento del motor. Es curioso que esta temporada se esté empezando a ver chimeneas con las salidas de aire completamente tapadas, con lo cual su función deja de ser para la refrigeración y tener algunas ventajas a efectos de aerodinámica. Actualmente no existe mucha referencia sobre qué ventajas puede ofrecer y de momento solo se pueden dar especulaciones. SUSPENSION
En los últimos años, las partes de la suspensión se han aerodinamizado en forma de lágrima. Ya que las reglas no permiten que estos elementos generen downforce, ya que si no se podrían considerar elementos aerodinámicos móviles. Sólo son preparados aerodinámicamente para que generen menor resistencia al flujo existente y mantener la dirección de la circulación para los pontones laterales generando la menor resistencia posible. CASCO
) Los cascos de los pilotos tienen una función clara y concreta: la protección de la integridad de sus propietarios. No obstante, siendo esta la aplicación primaria de los cascos integrales, que se utilizan en la mayoría de las disciplinas deportivas automovilísticas, no hay que olvidar el principio básico de toda competición. El casco, como elemento indispensable y necesario, hay que diseñarlo de forma que actúe de forma beneficiosa en alguna medida. Dado el lugar donde se ubica el casco, se puede, en principio, hacer que actúe en 2 aspectos:
Adecuando el flujo hacia la toma de admisión. De esta forma se puede obtener hasta 5CV mas de potencia al refrigerarse mejor el motor, gracias a una mejor canalización del aire hacia las tomas.
Adecuando el flujo de aire hacia la popa (alerón trasero y difusor). En este caso, la eficiencia del alerón trasero y también del difuso, aumentan de forma considerable. 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. RETROVISORES
Este es uno de los elementos en el coche sobre los que no podemos suponer influencias aerodinámicas sobre otros elementos; también es cierto que absolutamente todos los elementos de los que se compone un coche, son dependientes unos de otros, en mayor o menor medida. Para la aerodinámica del coche, los retrovisores sean posiblemente, junto con las ruedas, el mayor “estorbo” debido a la resistencia que generan. Por eso los ingenieros se esfuerzan de diseñarlos y colocarlos en el coche de la forma que genere menos resistencia al aire. Se ha podido ver en los últimos años como poco a poco muchos equipos han ido alejando los retrovisores de la cabina (véase Ferrari) hasta ponerlos a los extremos de los pontones laterales. Muchos pilotos se quejan de tales
medidas ya que dificulta gravemente la visión trasera del coche, y en algunos Formula 1 como Renault, han tenido que recolocar dichos retrovisores en la cabina.
FIA (federación internacional del automóvil) Antes de a 1904, los países y clubes automovilísticos que organizaban carreras lo hacían siguiendo sus propias reglas y condiciones. Era casi imposible organizar carreras internacionales, ya que no se disponía de reglas en común. El Automóvil Club más influyente de esos tiempos decidió acabar con una situación que impedía el desarrollo del deporte-motor, creando una organización internacional que se encargaría de establecer las reglas por las que todos se regirían, aplicables en todo el mundo. Esto llevó al nacimiento de la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), que pudo así garantizar a los pilotos, independientemente de su nacionalidad, que las reglas serían siempre las mismas aún corriendo en escenarios diferentes como, por ejemplo, Francia, Italia, Bélgica, o Mónaco. En 1950 la FIA instituyó el Campeonato del Mundo de conductores. La FIA es el organismo encargado de regular las carreras, así como de establecer las normas de construcción de los vehículos y velar por el cumplimiento de dichas normas.
Georges Boillot ganando el Gran Premio de Francia de 1912.
La FIA, como órgano encargado de la regulación de la formula 1, va adaptando las reglas a los nuevos tiempos y tecnología. Así desde sus inicios como se acaba de ver, van cambiando las reglas para hacer de las carreras un espectáculo entretenido y seguro. Con el paso del tiempo los equipos están llegando al limite de las posibilidades de los vehículos, siendo la diferencia de unos a otro muy escasa y llegando a hacer de los adelantamientos algo casi imposible, produciéndose una carrera monótona y poco atractiva, solo a las expectativa de un fallo humano en la conducción, repostaje o del motor. Por ello la FIA va cambiando las reglas, para que de esta forma los equipos tengan que rediseñar e innovar tanto en los vehículos como en las estrategias a seguir. En lo que a aerodinámica se refiere, algunas de las normas que la FIA, impone es que todos los elementos aerodinámicos, deben estar fijados al vehículo y no tienen que tener ningún grado de libertad, de ahí por ejemplo que las barras de suspensión, aunque aerodinámicamente tienen forma de gota de agua, son de perfil simétrico. Regula la dimensiones del vehículo así como sus partes y distancia entre alguna de ellas (alerones, distancia mínima y máxima al suelo, distancia entre ejes, etc.…) A lo largo de su existencia la FIA ha modificado las normas, en base a la seguridad de los participantes y espectadores, así como para mayor espectáculo de las carreras.
1961-1965 se prohibieron las carrocerías cuyas formas cubrieran las ruedas. Desde 1969Después del grave incidente ocurrido a Jochen Rindt y Graham Hill en el GP de España de 1969, fueron regulados también los apéndices aerodinámicos y alerones. Hasta aquel momento, sus dimensiones eran excesivas y montadas en posición muy elevada. Después de esta intervención, el punto más alto de la carrocería, es decir el alerón, no podía encontrarse a una altura superior a los 80 cm. respecto al punto más bajo de la estructura suspendida del vehículo. Detrás de las ruedas anteriores, la carrocería no podía superar la anchura de 110 cm. En cualquier caso, la anchura del frontal (apéndices o carenados aerodinámicos, no debía superar los 150 cm.
GP España 1969
Desde 1983 Fueron prohibidos los extractores aerodinámicos situados bajo el fondo de los monoplazas. El fondo de los vehículos debía de ser plano, en particular la zona comprendida entre la parte posterior de las ruedas traseras y la parte delantera de las ruedas anteriores. Fueron prohibidas las faldillas y cualquier apéndice aerodinámico situado entre el cuerpo del vehículo y el suelo. El alerón posterior se debía instalar 10 cm. más alto para consentir una mejor visibilidad a través de los retrovisores. La anchura de este mismo alerón se vio reducida a 100 cm. La distancia entre el eje de la rueda posterior y la parte más retrasada del alerón trasero se vio reducida a 60 cm.
Desde 1997. Se prohíben los triángulos de suspensión carenados y también cualquier efecto de apoyo aerodinámico que puedan crear. Prohibidos los alerones en el capó-motor, que introdujeron los McLaren en el '95.
Desde 1999. Limitación de la anchura de los neumáticos delanteros en 305 mm. Diámetro máximo de la goma: 660 mm. Diámetro de la llanta: 330 mm. Actualmente la FIA esta barajando la posible modificación del vehículo para que los adelantamientos sean mas factibles. Dos de esos cambios son la introducción de alerones flexibles y CDG (Centreline Downwash Generar). Alerones flexibles: La FIA podría aprobar pronto el estudio de alerones flexibles para incorporarlos legalmente en la Fórmula Uno a partir del año 2011. La Federación está apretando mucho a los equipos para hacer un cambio radical de cara a la próxima década.
El alerón delantero y trasero de los F1 podrían estar controlados electrónicamente, pero aún no se ha definido los límites en la FIA Esto serviría para permitir la reducción de 'drag' (resistencia) en las rectas, ayudando a mejorar la eficiencia del combustible y recuperar la eficiencia aerodinámica durante las curvas, en las frenadas y en las aceleraciones de tal manera que los tiempos por vuelta serían espectaculares. .
CDG (Centreline Downwash Generating Wing) La investigación es de la propia FIA con la ayuda de su socio tecnológico AMD, y se presento a la Comisión de la Fórmula Uno en Londres. La intención era que entrara a formar parte de la Regulación Técnica de la Fórmula Uno en 2008
Según la Federación este tipo de alerones facilitaría los adelantamientos al crear menos turbulencias que los alerones actuales. Los F1 se ven limitados en los adelantamientos al depender en exceso del apoyo aerodinámico generado por los alerones. El coche perseguidor necesita del apoyo aerodinámico de los apéndices para tomar las curvas y la proximidad con un rival afecta negativamente al aire que el coche usa para generar apoyo aerodinámico, necesario para tomar rápidamente las curvas y poder adelantar.
Con esta solución los F1 prácticamente no generarían turbulencias y los coches podrían adelantarse con mayor facilidad. El nuevo alerón elimina prácticamente por completo las turbulencias ya que consigue que la presión del aire se estabilice rápidamente una vez haya pasado el coche, consigue lo que se conoce como aire limpio El objetivo por tanto es la de facilitar los adelantamientos tan perjudicados por el rendimiento aerodinámico de los monoplazas. Este alerón crea una estela en la que el coche perseguidor genera más carga con menor resistencia, al contrario que ahora, que es muy difícil seguir al de delante en curvas rápidas porque se pierde el apoyo en el alerón delantero. Va combinado con unos neumáticos más anchos y lisos que los actuales.
Las críticas de algunas escuderías y la dudosa efectividad del ingenio obligo a la Federación a dar marcha atrás en su proyecto. Varios equipos expresaron sus dudas acerca de la efectividad de la medida, por lo que la Federación, decidió estudiar mejor el caso y posponer su introducción.
INNOVACIONES Y CURIOSIDADES
Desde los comienzo, los mecánicos, ingenieros, pilotos han intentado que sus vehículos fueran los mas rápidos, creando coches con mas o menos efe ctividad. Toda esta carrera desatada en el diseño de vehículos así como artilugios y dispositivos para hacer al vehículo aerodinámicamente mejor, ha llevado a una evolución del coche de la formula 1, quizás al principio impensable. Algunos de los vehículos y dispositivos creados han sido desechado por su poca eficacia, otros por el contrario han sido aceptados y se han adaptado hasta nuestros días, he incluso algunos desechados en un principio se ha vuelto a implantar por algunos equipos con mas o menos acierto. Como muestra de la evolución: Brabham. Los alerones estaban montado directamente sobre la suspensión, con lo que había que reforzarla en exceso, llegando a estar casi rígida siendo prácticamente el único amortiguador entre el coche la pista la goma de los neumáticos. En otras versiones el ángulo de ataque de los alerones, era modificado en plena carrera, mediante un dispositivo por el propio piloto.
Brabham bt46. Con turbina trasera, cuya misión era la de succionar el aire entre el vehículo y el suelo creando un fuerte efecto suelo. Su uso fue prohibido por la FIA, por las quejas de los otros pilotos que alegaban que cuando circulaban detrás expulsaba gravilla y les impedían adelantarlo.
Lotus 78, utilización del efecto suelo sin otro dispositivo que la aerodinámica del vehículo. Fue imbatible.
Salida en el gp Italia en 1971, se puede observar la variedad de diseño en una misma carrera, los 70 fue la época con mayor auge en aerodinámica en las carreras
Lotus 80:
Durante los últimos años, especialmente durante la década de los 70 se probaron toda clase de dispositivos extravagantes como alerones muy exagerados, tomas de aire imposibles o mecanismos que llevaran el efecto suelo al límite. Con las prohibiciones de la FIA cada vez se han ido moderando toda esta clase de innovaciones.
Algunos de estos avances tan agresivos, en su gran mayoría pueden resultar un fracaso, como la “walrus nose” de Williams, que en español sería algo así como “morro de morsa.
Este morro sobre papel parecía una excelente idea, ya que era mas recortado que un morro normal y su anchura y forma permitía un flujo mas favorable por el fondo del coche. Sin embargo su pequeño tamaño y su posición tan retrasada daba muchos problemas de equilibrio y de mal reparto de peso, siendo finalmente un completo desastre. Aunque también ha habido avances que han resultado un éxito como el alerón puente que incorporó McLaren el año pasado, que aparte de generar más downforce redirigía de una forma mas eficaz el flujo del aire hacia los pontones, dándole hasta 10 CV mas de potencia al motor.
Este año se han añadido ya un buen número de dispositivos innovadores aunque todavía está por ver su efectividad. Renault con capo en forma de aleta tiburón:
Alerón llamado oreja de elefante probado por el equipo honda:
Morro de Ferrari abierto para dividir el fluido:
