Aerodinámica
La aerodinámica es aplicada tanto en la aeronaútica como en el automovilismo El apartado de Aerodinámica abarca las siguientes lecciones: 1.1.1. Introducción a la Aerodinámica 1.1.2. Fundamentos Básicos de Aerodinámica 1.1.2.1. Propiedades de los Fluidos 1.1.2.1.1. Densidad 1.1.2.1.2. Presión 1.1.2.1.3. Viscosidad 1.1.2.1.4. Relaciones 1.1.2.2. Leyes o Principios de la Aerodinámica 1.1.2.2.1. Efecto Venturi 1.1.2.2.2. Efecto Capa Límite 1.1.2.2.3. Efecto Coanda 1.1.2.2.4. Drag 1.1.2.2.5. Efecto suelo 1.1.3. El Alerón
1.1.4.
1.1.5. 1.1.6. 1.1.7.
1.1.8. 1.1.9.
Elementos de la aerodinámica 1.1.4.1. Alerón Delantero 1.1.4.2. Chasis 1.1.4.3. Aletas de Cono 1.1.4.4. Deflectores Laterales 1.1.4.5. Toma de Admisión y Anclaje para Grúa 1.1.4.6. Pontones 1.1.4.7. Aletas de Pontón 1.1.4.8. Tapa Motor 1.1.4.9. Alerón trasero 1.1.4.10. Fondo Plano 1.1.4.11. Difusor 1.1.4.12. El Casco El Túnel de viento El CFD Novedades Aerodinámicas 1.1.7.1. Alerones Flexibles 1.1.7.2. Aleta Dorsal 1.1.7.3. Ala Delta 1.1.7.4. Alas de Cabina 1.1.7.5. Alas Dumbo 1.1.7.6. Aletas Tabique 1.1.7.7. Aletas Oreja 1.1.7.8. Carenados 1.1.7.9. Cuernos de Vikingo 1.1.7.10. Morro Canalizado 1.1.7.11. Doble Alerón Delantero 1.1.7.12. Variación del Ángulo de ataque del Alerón 1.1.7.13. Difusor Doble 1.1.7.14. Llantas Monotuerca 1.1.7.15. F- Duct 1.1.7.16. Toma de Admisión Doble 1.1.7.17. Difusor Soplado por los Escapes Nomenclaturas Técnicas Aerodinámicas Conclusiones
Introducción Introd ucción a la Aerodi Aerodinámica námica
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, c onductos, 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 u n 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 Fundame ntos 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 po r 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:
Densidad Todos los fluidos, incluido el aire, están formados por p or un número extremadamente grande de moléculas; todas ellas están ligadas entre sí, y separadas ciertas distancias (no todas iguales); cuanto más unidas están todas las moléculas, decimos que el fluido posee más densidad que otro; lógicamente, un fluido con más densidad que otro, pesa más, por cuanto tiene mayor masa, al tener más moléculas; por otra parte, estas consideraciones, no tiene valor, si no se referencian respecto un volumen; por tanto, definimos densidad, como la cantidad de moléculas por unidad de volumen. Sea “V” el volumen y “m” la masa; la densidad se define como: densidad=m/V.
La densidad es un parámetro muy importante, por cuanto caracteriza de forma esencial, cualquier fluido, y más aún, lo caracteriza desde el punto de vista termodinámico, cosa muy importante por ejemplo, para conocer la eficiencia del motor. A mayor densidad, la cantidad de aire es mayor (muchas moléculas) y por tanto la eficiencia del motor es mayor; de ahí, que los días de calor (baja densidad d ensidad como veremos) el motor funciona peor que los días de frío; o lo que es lo mismo: a principio del día, los motores funcionan mejor, que durante las horas centrales del día.
Presión Esta característica, está muy unida a la densidad. Existen, podríamos decir, 2 tipos de presiones: la atmosférica y la no atmosférica. La presión atmosférica, es la fuerza (o peso) que hay sobre cierto punto o cuerpo, debida a la cantidad de moléculas de aire que hay sobre dicho punto o cuerpo. Esta columna de aire, se sitúa desde dicho cuerpo, hasta el fin de la atmósfera. Otro de los factores importantes relacionados en cierta forma con la presión, es la altura con respecto al nivel del mar; cuanto más altura tengamos, el aire es menos denso, por tanto la presión atmosférica es menor, y debido a todo ello, un cuerpo pesa menos cuanta a más altura midamos ese peso; recordemos que el peso es una fuerza, que equivale a la masa multiplicada por la aceleración de la gravedad, y se mide en Newtons (no hay que confundir peso y masa). Por todo lo dicho, a mayor presión, las moléculas de aire están más unidas, la densidad es mayor y de esta forma y como consecuencia consecuen cia de ello, el motor, por ejemplo, es más eficiente. La fuerza no atmosférica, es la presión relativa; es aquella presión que no tiene en cuenta la presión atmosférica; la suma de ambas, se denomina d enomina presión absoluta; la presión relativa, por ejemplo, es la causada por la propia dinámica del aire, y es básica, para poder diseñar un coche de competición, entre otras cosas, porque la presión atmosférica, hagamos lo que hagamos, siempre va estar presente y no podemos prescindir de ella. Ambas presiones, son las que se encargan de mantener más o menos unidas a las moléculas de aire; de esta forma, al aumentar au mentar la presión, aumenta la densidad y viceversa; más adelante, veremos las dependencias entre todas ellas.
Viscosidad Cuántas veces hemos confundido densidad y viscosidad; un aceite es menos denso que el agua (por eso flota en ella), pero es más viscoso. La viscosidad es la resistencia que posee todo fluido a deformarse por la acción de una fuerza cualquiera. No tiene nada que ver con la densidad, que es la que cuantifica la cantidad de moléculas por unidad de volumen; la viscosidad es una propiedad digamos dinámica; mientras no existe movimiento, no se hace patente y no se puede cuantificar. La viscosidad es la propiedad del d el aire más importante; sin su existencia, no existiría ningún fenómeno dinámico, tal como la sustentación por ejemplo. Como veremos más adelante, es la responsable directa de la existencia de la llamada capa límite y sin ella, no existirían las fuerzas aerodinámicas; de hecho, las ecuaciones que rigen la dinámica del aire, son muy complejas; para resolverlas, existen muchos procedimientos matemáticos, y uno de ellos, es la simplificación de dichas ecuaciones o modelos matemáticos para que sea más fácil el
resolverlos; la simplificación inicial (y burda o irreal) es la de suponer que q ue la viscosidad es nula; bajo esta hipótesis, resulta que las turbulencias no existen; el modelo se podrá entonces resolver, pero no es más que una simplificación, no la realidad; en la vida real, el 99.9% de todas las dinámicas de cualquier fluido, son turbulentas. La viscosidad la definimos como la inversa de la fuerza (tiempo) que ofrece todo fenómeno al movimiento o evolución temporal; cualquier fluido, intenta alcanzar el estado de mínima energía; un fluido o en general fenómeno, más “perezoso” que otro, tendrá una viscosidad mayor, puesto que le cuesta más alcanzar dicho estado. Hemos oído hablar o tildar en multitud de ocasiones, al tráfico de automóviles de una ciudad, como viscoso; una de las veces que estuve en una cola de coches, esperando que un semáforo se pusiese en verde para arrancar, observé que pasó cierto tiempo, desde que el disco se puso en verde, hasta que pude mover mi automóvil; si divido dicho tiempo entre la cantidad de coches que tengo delante entre, obtengo “PTr”; éste, es el factor de viscosidad no adimensional; cuanto mayor sea “PTr”, mayor viscosidad tendré.
Relaciones Tanto la presión, densidad y viscosidad, como otras propiedades quizás menos importantes, están ligadas entre sí; ello significa que el hecho hech o de variar una de ellas, conlleva la variación de las otras; las ecuaciones o expresiones matemáticas que relacionan todas estas variables, se denominan ecuaciones de estado; existen diversos tipos, atendiendo al contexto de trabajo, pero en definitiva, son relaciones entre ellas. Una de las propiedades o mejor dicho, parámetro no intrínseco al propio fluido, es la temperatura; estas ecuaciones de estado, también dependen de la temperatura.
Leyes o principios de la Aerodinámica Aerodinámic a 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 V enturi /Princip /Principio io Bernouilli Berno uilli -Efecto Capa Límite -Efecto Coanda -Drag -Efecto suelo
Efecto Efe cto Venturi Ventu ri/Pr /Princi incipio pio Bernoull Berno ullii
Esquema del Principio de Bernoulli. Sabemos que existen 3 tipos de energía: la potencial (por cota o altura), la cinética (por velocidad) y la de presión. Por ello, 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.
Donde: •
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V =
velocidad del fluido en la sección considerada. considerada. g = aceleración gravitatoria z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido.
Para aplicar la ecuación se deben deb en realizar los siguientes supuestos:
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Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona ‘no viscosa’ del fluido. Caudal constante Flujo incompresible, donde ρ es constante. La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional
De esta forma, si la presión aumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa. Por ello todos hemos oído en alguna ocasión: que la presión es inversa a la velocidad.
Esquema del efecto Venturi 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.
Esquema del recorrido del flujo de aire en el efecto Venturi
Por tanto, si observamos la imagen siguiente, en la zona “A” la velocidad es mayor, pues ha de recorrer una distancia mayor, con lo que la presión disminuye. Esta depresión “chupa” el ala hacia arriba en este caso, produciéndose sustentación.
Esquema flujo de aire al paso por un ala En automovilismo, se invierte la figura y se produce así el empuje contra el suelo. Es decir, en la zona “B” la velocidad será mayor, pues habrá de de recorrer una distancia mayor, con lo que la presión disminuirá. Esta depresión “chupará” el ala hacia abajo en este caso, produciéndose así una fuerza de atracción al piso.
Esquema flujo de aire al paso por un alerón
Efecto Efe cto Cap Capaa Lím Límite ite
Ejemplo de capa límite laminar. Un flujo laminar horizontal es frenado al pasar sobre una superficie sólida (línea gruesa). El perfil de velocidad (u) del fluido dentro de la capa límite (área sombreada) depende de la distancia a la superficie (y). Debido al rozamiento, la velocidad del fluido en contacto con la placa es nula. Fuera de la capa límite, el fluido se desplaza prácticamente la misma velocidad que en las condiciones iniciales (u0). 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 d ebido 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 d el 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 lo pudiéramos hacer, podríamos sacar la mano al final y sobre el techo de este último vagón, y apenas notaríamos la velocidad del aire. Podemos concluir diciendo, que la velocidad del aire, justo en la superficie de todo cuerpo en movimiento, es cero. Esta capa límite, es la responsable del siguiente efecto que podemos apreciar.
Efec Ef ecto to Co Coan anda da
Efecto Coanda del agua al pegarser a un recipiente, debido a la viscosidad de esta Todo fluido, tiende a pegarse sobre una superficie. Este es el efecto Coanda. Parece simple y de hecho hasta lo es, pero también es extremadamente importante y decisivo en todo diseño, por cuanto podemos, en cierta forma, canalizar aire allí donde queramos o necesitemos, sin necesidad de deflectarlo “a lo bestia” con la resistencia que ello supone. Una buena manera de explicar en qué consiste el efecto Coanda es con un ejemplo:
Esquema del efecto Coanda Supongamos una superficie curva, por ejemplo un cilindro, tal como está en la ilustración. Si sobre él vertemos algo sólido (arroz, por ejemplo) rebotará hacia la derecha. El cilindro, por el principio de acción-reacción, tenderá a ir a la izquierda. Esto se puede ver en la primera parte de la ilustración. Si repetimos esta experiencia con un líquido, debido a su viscosidad, tenderá a “pegarse” a la superficie curva. El fluido saldrá en dirección d irección opuesta. En este caso, el cilindro será atraído hacia el fluido. Si nos imagináramos el líquido que cae como miles de capas de agua, las capas que tocan al cilindro se pegarán. Las capas contiguas, por el rozamiento, se pegarán a esta y se desviarán un poco. Las siguientes capas, igualmente, se desviarán algo más. En algunos aviones de transporte, y dado que transportan mucha carga, y sobre todo en el despegue, los motores a reacción o las hélices en su caso, descargan su flujo directamente sobre las alas (debidamente protegidas claro), y aumentando el ángulo de incidencia de las mismas, el aire no se despega de ellas, generando una fuerza de sustentación inmensa. Viendo el fenómeno de la sustentación, se puede apreciar que el aire se pega sobre la superficie, observando también el efecto Coanda sobre ella. En definitiva este efecto, se utiliza para canalizar el aire donde se desee en ciertas partes del chasis del monoplaza sin tener que qu e deflectarlo en demasía, evitando gran resistencia aerodinámica.
Drag
Efectos producidos por el drag, en diferentes cuerpo, con diferentes coefiecientes de resistencia aerodinámica También conocido como resistencia aerodinámica o resistencia al arrastre, es la combinación de los efectos anteriores sobre un objeto que se desplace a través de cualquier fluido (aire en nuestro caso). La cantidad de esa resistencia al avance dependerá de: •
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La densidad del fluido a atravesar. El ángulo de incidencia entre el objeto y la componente direccional direccional de avance (de lo que se deduce que cada forma de objeto tiene una resistencia específica). La cantidad de superficie en contacto con el fluido. De la velocidad a la que se desplaza el objeto a través del fluido (o viceversa).
Resumiendo, su fórmula simple es: D = 0.5 * (Densidad) * (v2) * (S) ( Cd) Donde: D = Drag, Arrastre, o Resistencia aerodinámica. Densidad = Densidad del fluido (para nosotros densidad del aire) v = Velocidad S = Superficie de impacto (superficie frontal que choca contra el viento) Cd = Coeficiente aerodinámico del objeto. De lo que se desprende que la resistencia aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad.
Lista con diferentes cuerpos y sus coeficientes de resistecia aerodinámica
Efec Ef ecto to Sue Suelo lo En el mundo de automovilismo, automovilismo, generalmente de competición, se busca, al contrario que en aeronáutica, crear una zona de alta presión por encima del vehículo y una de baja presión por debajo, lo que provoca una succión que “aplasta” al vehículo contra el suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.
Dibujo de un monoplaza con efecto suelo. Se pueden observar los faldones en el fondo plano (amarillo), y el paso del flujo de aire que provaca este efecto (en rojo). Este efecto se introdujo en la Fórmula 1 a finales de los años 70 por parte de Lotus, mediante faldones y un diseño especial de la parte inferior de la carrocería, y por su efectividad no tardó en ser copiado por los demás equipos.
Lotus 78, primer monoplaza en hacer uso del efecto suelo.
Otra técnica que se utilizó, concretamente en el Brabham BT46B, era la extracción del aire de debajo del vehículo mediante un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente.
El Brabham BT46B usaba el efecto suelo, todo y que con un ventilador en la parte posterior del monoplaza, para sacar el flujo de aire a mayor velocidad, lo que hace que aumente este efecto. Sin embargo, esta técnica tenía el problema de que en cuanto no hubiese una presión lo suficientemente pequeña por debajo del vehículo, cosa que por ejemplo podía pasar si se pasaba a gran velocidad por encima de un bache y el vehículo daba un “saltito”, éste podía volverse muy inestable e incluso podía “salir volando”. Se podría pensar erróneamente que aumentando el peso del vehículo, se lograría un mayor efecto suelo ya que el aumento del peso del vehículo se traduciría en mayor fricción de los neumáticos contra el suelo y por ello en un mayor agarre. Lo cierto es que al aumentar la masa del automóvil, aumenta proporcionalmente la fuerza centrífuga y esto hace que esta fuerza venza a la fricción entre los neumáticos y el suelo, perdiéndose el agarre casi por completo. Lo interesante del efecto suelo es que aumenta considerablemente la fricción entre e ntre los neumáticos y el suelo “aerodinámicamente”, sin aumentar la masa del automóvil haciendo que el agarre sea mayor a mayores velocidades. El problema se presenta cuando los materiales de la banda de rodadura de los neumáticos llegan al límite de adherencia contra el suelo, o cuando por accidente se levanta una rueda o el coche avanza ladeado. Cuando esto ocurre, el vehículo simplemente se vuelve incontrolable. Esta condición fue la causa del accidente del canadiense Gilles Villeneuve en la tanda clasificatoria del GP de Bélgica de 1982, quien al golpear con una de sus ruedas delanteras con la rueda trasera de otro coche, su Ferrari salió prácticamente volando despidiendo por
los aires a Villenueve, que murió en el acto. Tras este accidente se prohibió o limitó la utilización del efecto suelo por motivos de seguridad.
El accidente de Gilles Villeneuve, en 1982, hizo que se prohibiera el 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 ha cia 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 Elemen tos de la aerodi aerodinámica námica A continuación se indican y se explican todos los diversos elementos aerodinámicos, que intervienen en la aerodinámica de un monoplaza de F1, ya sea en mayor o meno medida: •
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Alerón Delantero Chasis Aletas de Cono Deflectores Laterales Toma de Admisión
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Pontones Aletas de Pontón Tapa Motor Alerón trasero Fondo Plano Difusor El Casco
Alerón Ale rón Del Delant antero ero
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 de l 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: Alargamiento: La cantidad cantidad de downforce producida por un ala o alerón se determina por sus medidas. Cuanto mayor sea el alerón mayor downforce downforce produce. Llamamos alargamiento a la relación entre longitud/anchura. longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la resistencia creada por los vórtices en las puntas de los alerones. El alargamiento alargamiento es la longitud (la dimensión alargada perpendicular perpendicular al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensión paralela paralela al flujo). 2. El Ángulo Ángulo de Ataque: Ataque: La eficien eficiencia cia de un alerón alerón depende depende también también de la relación downforce/resistencia. 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 downforce producido. 3. La Resistencia: Resistencia: Al incrementar incrementar el downforce en un alerón también también crece 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 apénd ices 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 co njuntado 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.
Alet Al etas as de Co Cono no 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.
Deflect Def lectore oress Lat Latera erales les
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 co che 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, ce rrados, 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 e n 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 cub re 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 coch es 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. Estos aditamentos nombrados cumplen diferentes funciones.
Alet Al etas as de Po Pont ntón ón 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, p referible, 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 e n el chorro de los gases de d e 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 ch asis 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 ven imos 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 u na 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 g enerados 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 Ta pa Mo Moto torr
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 d ivisor de flujo o algún aletín de estabilización
Aler Al erón ón Tr Tras aser eroo
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: •
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Baja downforce Estándar downforce Alta downforce
De nuevo el compromiso está en e n 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 u tilizado 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: •
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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 zo nas 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 un os 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
Fond Fo ndoo Pl Plan anoo 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: •
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Vórtices del alerón delantero en un determinado sentio, para extraer aire de debajo del coche. Apédices colocados 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 d e 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 d ebajo 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 e n 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 d el 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 verdaderamen te así, los diseños de un casco c asco 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.
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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, 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 no tar 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 d e potencia que se restan…. Por todo lo dicho, se hace indispensable un diseño a medida de cada piloto, competición y demás variables que intervienen.
El Túnel de Vie Viento nto
Túnel de Viento La mayoría de los túneles de viento de la industria automovilística son una instalación que qu e consiste en un circuito cerrado donde el aire es acelerado por una turbina y que cuentan con una zona en la que se establece el área de pruebas, que es donde se colocarán las maquetas de los vehículos sobre los que se van a efectuar los ensayos. en sayos. Además la superficie sobre la que se apoya el vehículo es móvil. Esto es e s para poder realizar las pruebas aerodinámicas con las ruedas en movimiento. Básicamente el túnel de viento sirve para estudiar el comportamiento aerodinámico del coche: calcular coeficientes aerodinámicos, fuerzas aerodinámicas, centro de presiones y momentos aerodinámicos.
Esquema de un túnel de viento A continuación veremos cómo se calculan estos factores y cómo influyen en la estabilidad y el rendimiento del vehículo. Lo primero que se ha de hacer es una maqueta a escala del vehículo sobre el que se van a efectuar las correspondientes pruebas. Esta maqueta se llena de transductores (sensores) de presión por gran parte de su superficie. El objetivo es obtener una distribución de presiones a partir de la cual calcular numéricamente fuerzas. En cada punto de la superficie del vehículo se producen dos fuerzas que tienen que ver con su movimiento en un fluido como es el aire. Una es la fuerza de presión que ejerce el fluido (normal a la superficie) y otra la fuerza de rozamiento con el fluido debida a efectos viscosos (tangencial a la superficie).
Distribución de fuerzas en un monoplaza de F1 Con los ensayos en el túnel se obtienen distribuciones de presión con las que luego mediante métodos numéricos se obtienen distribuciones de fuerzas, las cuales sumamos, y calculamos así la resultante que aplicamos en el centro de presiones del vehículo previo calculo de este. El centro de presiones (cdp) del vehículo es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas aerodinámicas. Es distinto del centro de gravedad (cdg), que es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas de gravedad del vehículo. Si estos dos centros divergen demasiado en su posición el vehículo será inestable, de ahí que oigamos en los entrenamientos muchas veces que están ajustando el reparto de pesos. Lo que están haciendo es intentar ajustar la posición del centro de gravedad para que coincida lo máximo posible con el centro de presiones aerodinámico de cara a que el vehículo sea lo más estable posible. Si no coinciden se producen pares de fuerzas que producen momentos y con ello inestabilidad en el vehículo. Pero por el momento centrémonos en las fuerzas resultantes que se producen:
Fuerzas resultantes que se producen en un monoplaza de F1 Podemos ver que las resultantes de las fuerzas aerodinámicas tienen una componente en el eje X que se opone al avance del vehículo llamada Fuerza de arrastre (Fx) o Resistencia aerodinámica, y una componente en el eje Y que tiende a elevar a este llamada sustentación. En la Formula 1 se persigue el equilibrio que minimice la fuerza de arrastre y la fuerza de sustentación, incluso en cuanto a esta última se refiere, se persigue que en lugar de hacia arriba vaya hacia abajo (downforce) para favorecer así el agarre y la tracción del vehículo. Influyen otras fuerzas aerodinámicas, pero son menos significativas, siendo de las dos que hemos analizado la más significativa la de presión, que viene a ser un 70-80% de las fuerzas aerodinámicas totales que influyen en el vehículo, v ehículo, la de rozamiento aerodinámico vendría a influir aproximadamente un 10%. Una vez se obtienen las fuerzas se sacan unos coeficientes adimensionales, que son los coeficientes aerodinámicos. En Formula 1 es de especial interés el coeficiente de arrastre (Cx) que obedece a la fórmula:
Donde el Coeficiente de Arrastre (Cx) es igual a la Fuerza de Arrastre divida por la mitad del producto de la densidad del aire por la velocidad al cuadrado y por una superficie de referencia cualquiera. Como superficie de referencia suele elegirse la frontal. A partir de los ensayos realizados en el túnel de viento se tienen valores de la Fuerza de Arrastre para una determinada densidad del aire y para una determinada velocidad de este, pudiendo entonces calcular de forma experimental, sustituyendo en la fórmula, el Coeficiente Aerodinámico de Arrastre que podemos suponer constante para cualquier velocidad y/o densidad en los intervalos en los que se mueve un Formula 1. El producto Cx·S se utiliza para comparar diferentes configuraciones del vehículo o diferentes vehículos. Cuando en un gran premio reglan los alerones, el morro, etc, lo que están
haciendo es variar este coeficiente y con ello claro está la fuerza aerodinámica de arrastre. El Cx de un Formula 1 suele ser el doble de un coche de calle, siendo un poco más alto en aquellos grandes premios donde no es demasiado importante la velocidad punta y es más importante el agarre. Estando su valor entre 0,7 (Monza) y 1,1 (Mónaco) aproximadamente. Como antes comentábamos, si el centro de presiones está desplazado respecto al centro de gravedad se producen momentos que hacen inestable al vehículo. Si el cdp esta adelantado respecto al cdg por ejemplo, si la sustentación que se produce es positiva y no hay downforce se produciría un desgaste menor en los neumáticos delanteros y un menor meno r agarre de estos provocando subviraje (tendencia a seguir recto en curva). Si no hay downforce y el cdp está retrasado respecto al cdg se producirá menor agarre en los neumáticos traseros y sobreviraje (tendencia a girar más de lo debido). Si aparece viento lateral y el cdp y cdg están desplazados en función de la dirección de este podría aumentar la posibilidad de producirse produ cirse sobreviraje o subviraje. Es por esto que se busca la mayor estabilidad del vehículo regulando para cada circuito el centro de presión y el de gravedad, para ello se puede actuar sobre superficies aerodinámicas y sobre el reparto de pesos del coche respectivamente hasta dar con los reglajes que proporcionen el mejor comportamiento del monoplaza. Entre otras cosas es a esto a lo que se dedican en las sesiones de entrenamientos libres del viernes.
Túnel de Viento Hoy en día, la mayoría de equipos de F1, por no decir todos, cuentan con su propio túnel de viento, en sus respectivas fábricas. Aquí, es donde prueban las piezas, diseñadas en la misma fábrica, que luego llevarán a los circuitos.
