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.     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

                       1.1.5.     El Túnel de viento

                       1.1.6.     El CFD

                       1.1.7.     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

                       1.1.8.     Nomenclaturas Técnicas Aerodinámicas

                       1.1.9.     Conclusiones

Introducción a la   Aerodinámica

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

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

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

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

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

Fundamentos Básicos de la   Aerodinámica

Recorrido del flujo de aire en todo automóvil

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

Pero, ¿qué es exactamente un fluido?

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

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

Densidad

Todos los fluidos, incluido el aire, están formados por 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 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 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 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 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 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 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 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

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

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

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

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

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

Esta serie de efectos, son los siguientes:

-Efecto Venturi/Principio Bernouilli

-Efecto Capa Límite

-Efecto Coanda

-Drag

-Efecto suelo

Efecto Venturi/Principio   Bernoulli

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:

V = velocidad del fluido en la sección 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 realizar los siguientes supuestos:

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 Capa   Límite

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 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 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.

Efecto   Coanda

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 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 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:

La densidad del fluido a atravesar. El ángulo de incidencia entre el objeto y la componente 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

Efecto   Suelo

En el mundo de 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 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 abajo a los monoplazas. Por tanto la parte inferior de los alerones será la que tenga una mayor superficie para así reducir la presión.

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

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

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

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

Elementos de la   aerodinámica

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:

Alerón Delantero Chasis Aletas de Cono

Deflectores Laterales Toma de Admisión Pontones Aletas de Pontón Tapa Motor Alerón trasero Fondo Plano Difusor El Casco

Alerón   Delantero

Alerón delantero de F1

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

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

1. El Alargamiento: La cantidad de downforce producida por un ala o alerón se determina por sus medidas. Cuanto mayor sea el alerón mayor downforce produce. Llamamos alargamiento a la relación entre longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la resistencia creada por los vórtices en las puntas de los alerones. El alargamiento es la longitud (la dimensión alargada perpendicular al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensión paralela al flujo).

2. El Ángulo de Ataque: La eficiencia de un alerón depende también de la relación downforce/resistencia. La cantidad de downforce generada también depende del ángulo o inclinación del alerón. Cuanto mayor es el ángulo de ataque mayor es el downforce producido.

3. La Resistencia: Al incrementar el downforce en un alerón también crece la nunca deseada resistencia. La downforce generada por el alerón trabajo en sentido vertical, hacia el suelo, mientras que la resistencia actúa en la dirección opuesta al flujo de aire.

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

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

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

Alerón delantero Red Bull temporada 2009

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

Alerón Ferrari de la temporada 2005

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

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

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

Alerón Mclaren de la temporada 2009

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

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

Tipo de alerón utilizado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón utilizado desde la temporada 2009

Chasis

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

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

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

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

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

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

Aletas de   Cono

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

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

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

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

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

Tabiques

Orejas

Aletas

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

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

Deflectores   Laterales

Esquema de un deflector de un monoplaza de F1

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

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

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

Deflectores laterales de Force India

Las funciones del sistema de deflectores, son cuatro:

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

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

3-Sellar el fondo para aumentar el efecto suelo.

4-Generación de empuje.

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

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

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

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

Deflectores laterales de Mclaren

Toma de Admisión y Anclaje para   Grúa

Toma de aire y anclaje de la grúa del R30

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

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

Pontones

Pontón izquierdo

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

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

Pontón derecho

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

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

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

Estos aditamentos nombrados cumplen diferentes funciones.

Aletas de   Pontón

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

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

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

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

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

4)Evacuar el aire caliente proveniente de los radiadores.

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

6)Generación de empuje vertical.

Diferentes tipos de aletas de pontón:

Imagen a)

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

Imagen b)

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

Imagen c)

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

Imagen d)

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

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

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

Imagen e)

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

Imagen f)

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

Tapa   Motor

Tapa Motor

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

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

Alerón   Trasero

Alerón trasero

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

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

Baja downforce Estándar downforce Alta downforce

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

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

del alerón trasero depende de los mismos parámetros que el alerón delantero (Alargamiento, ángulo de ataque y resistencia).

Alerón trasero Ferrari temporada 2009

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

Generar el máximo de empuje vertical (downforce) con el mínimo arrastre y vibración. (drag).

Crear una zona de baja presión debajo de él, o lo que es lo mismo, encima del difusor.

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

Alerón trasero Mclaren temporada 2009

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

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

Tipo de alerón trasero usado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón trasero usada desde la temporada 2009

Fondo   Plano

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

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

Vórtices del alerón delantero en un determinado sentio, para extraer aire de debajo del coche.

Apédices colocados debajo de la abertura de los pontones, para desviar y alejar el flujo de aire de la parte baja del coche.

Lábios en los extremos de la superfície del fondo plano, justo debajo de los pontones ( a cada lado de la cubierta motor) con el fin de extraer aire de debajo del coche.

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

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

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

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

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

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

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

Difusor

Difusor de F1

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

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

Recorrido del flujo de aire por el difusor

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

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

Difusor visto por delante

Difusor visto desde atrás

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

El difusor forma parte del fondo plano del monoplaza

El   Casco

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

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

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

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

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

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

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

Análisis del comportamiento aerodinámico de un casco de F1 mediante CFD

Principios del casco de F1

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

1. Adecuando el flujo hacia la toma de admisión:

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

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

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

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

Si se pretende canalizar de forma idónea el flujo de aire hacia la toma de admisión, el diseño del casco ha de permitir un flujo superior enfocado hacia la toma de admisión, teniendo en cuenta una desviación de flujo no necesario o excedente.

Si se pretende canalizar el flujo de forma adecuada hacia la popa del coche, el diseño ha de permitir un flujo a su alrededor con baja resistencia, siendo la popa del casco zona importantísima para que el flujo no sea turbulento o cause alteraciones en el mapa de presiones o turbulencias periódicas-

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

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

El Túnel de   Viento

Túnel de Viento

La mayoría de los túneles de viento de la industria automovilística son una instalación que 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.

Además la superficie sobre la que se apoya el vehículo es móvil. Esto es 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, 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 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 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.

Túnel de viento del equipo Renault F1 Team

El   CFD

Análisis del comportamiento aerodinámico de un monoplaza mediante CFD

El CFD, es son las siglas de Computational Fluid Dynamics, en inglés. En español, Mecánica de Fluidos Computacional o mediante computadora.

El CFD es una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de sustancias. Los ordenadores son utilizados para realizar millones de cálculos requeridos para simular la interacción de los líquidos y los gases con superficies complejas proyectadas por la ingeniería. Aun con ecuaciones simplificadas y superordenadores de alto rendimiento, solo se pueden alcanzar resultados aproximados en muchos casos. La continua investigación, sin embargo, permite la incorporación de software que reduce la velocidad de cálculo como así también el margen de error al tiempo que permite analizar situaciónes cada vez más complejas como los fluidos transónicos y los flujos turbulentos. La verificación de los datos obtenidos por CFD suele ser realizada en túneles de viento u otros modelos físicos a escala.

El cálculo mediante ordenador (CFD) permite sin necesidad de fabricar una pieza simular su comportamiento, con lo cual se ahorra tiempo y dinero y se tienen los resultados que le pida al programa.

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD

Análisis termodinámico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista delantera)

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista trasera)

Pero, ¿cómo sé que las simulaciones obtenidas del ordenador son ciertas?, aquí es donde entra la correlación entre los datos obtenidos en el túnel real y en el túnel virtual. Por ello se debe realizar la simulación virtual en las mismas condiciones en las que funciona el túnel de viento y solo entonces se podrán comparar los resultados “reales” y virtuales.

Llegados a este punto, podrá realizar un ajuste del  modelo virtual (cosa bastante complicada por otra parte) para que se ajuste a la realidad y así obtener unos resultados virtuales fiables. Una vez conseguido un modelo virtual ajustado, se podrá realizar tantas simulaciones como se quiera o se pueda, teniendo en cuenta todos los parámetros y variaciones que se necesiten.

El CFD permite analizar, no sólo el monoplaza en conjunto, sino que también las diferentes partes de este.

Análisis aerodinámico, mediante CFD, de un alerón delantero de F1.

Análisis termodinámico, mediante CFD, de un bloque de un motor de F1.

Novedades   Aerodinámicas

A continuación se citan una serie de mejoras aerodinámicas que han sido posibles gracias a la introducción de la CFD en el proceso de diseño de un Fórmula 1. Tomando esta disciplina más importancia temporada tras temporada, ella junto con el desarrollo en el túnel de viento, asegura a los ingenieros aerodinámicos y a los diseñadores que dichas mejoras son realmente mejoras y que los coches les permiten escoger entre las mejores configuraciones para reducir la resistencia y aumentar el downforce.

Alerones Flexibles Aleta Dorsal

Ala Delta Alas de Cabina Alas Dumbo Aletas Tabique Aletas Oreja Carenados Cuernos de Vikingo Morro Canalizado Doble Alerón Delantero Variación del Ángulo de ataque del Alerón Difusor Doble Llantas Monotuerca F-Duct Toma de Admisión Doble Difusor Soplado por los Escapes

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Alerones   Flexibles

Ilegales, prohibidos. Así es como están considerados los alerones que flexan durante el movimiento del coche. Por tanto, y según la normativa, las piezas aerodinámicas no pueden moverse más de 5 mm al aplicar una fuerza vertical de 500 Newtons sobre el plano del alerón y no pueden diferir más de un grado horizontal al aplicar una fuerza de 1000 Newtons en los extremos del plano del alerón simultáneamente.

Ejemplo de este tipo de alerones flexibles, fue una de las trampas de Ferrari más flagrantes de la historia con respecto a este artículo del reglamento (que es mucho más extenso y tiene muchas condiciones más acerca de la flexibilidad), atentos al vídeo.

Si os habéis fijado bien en el video, en las recta el plano inferior del alerón trasero, se flexiona, anulando así la función de este en recta. Por el contrario, al llegar a las curvas, este vuelve a su posición inicial y vuelve a cumplir con su función inicial. Estas flexiones e inflexiones, son debidas a que al acelerarse el flujo del aire (lo que pasa en recta), el plano inferior del alerón trasero, es opuesto a una mayor fuerza vertical hacia abajo, que cuando la velocidad del flujo de aire es menor (lo que ocurre en las curvas). Por ello se flexiona en recta, y en curvas se inflexiona, es decir, vuelve a su posición inicial.

En la  imagen siguiente se puede observar el funcionamiento de este alerón trasero flexible.

Esquema del funcionamiento del alerón trasero flexible de ferrari. (Con borde blanco la posición inicial del alerón, y con borde rojo la posición flexionada del alerón, en recta)

Aparte de los alerones traseros flexibles, por supuesto que también existen los alerones delanteros flexibles. Ejemplo de ello, es el siguiente alerón diseñado por ferrari.

Alerón delantero flexibles de Ferrari. (Las flechas indican el movimiento de la flexión, de los diferentes planos del alerón)

Como indican las flechas de la imagen, en recta, este alerón tiende a separarse del morro del monoplaza, por los dos planos superiores que van unidos a este. De esta manera los planos superiores entran en pérdida, es decir no realizan su función, ya que no generan ningún drag, con lo que se reduce al resistencia aerodinámica. Por otra parte, el plano inferior se flexiona hacia abajo, anunlandocasi por completo el ángulo de dicho plano del alerón, con lo que este tampoco genera resistencia al avance.

Por el contrario, en la curvas, los diferentes planos vuelven a su posición, con lo que el alerón vuelve a realizar su función inicial, generando el downforce necesario para tomar las curvas.

En la seqüencia de imagenes siguiente, se puede observar claramente el funcionamiento de este alerón delantero móvil.

Seqüencia de imagenes, donde se puede observar el funcionamiento del alerón delantero móvil de Ferrari.

Una vez visto esto, podemos decir que los beneficios de un alerón flexible, son que:

1. Ofrece menor carga aerodinámica en rectas lo que reduce la resistencia al aire y permite arañar unos segundos con una mayor velocidad punta.

2. Ofrece una mayor carga en zonas de curvas lo que permite un mayor agarre aumentando la velocidad de paso por curva sumando otras décimas de ganancia cada vuelta.

Los circuitos medios, que no son ni rápidos ni lentos, siempre plantean el dilema a los ingenieros de la configuración aerodinámica, el caso más claro es Indianapolis. Su zona interior es tremendamente lenta y revirada, pero la parte del óvalo es de velocidad pura. Por tanto los elementos flexibles solucionaban en parte este problema de decisión. Del mismo modo las configuraciones aerodinámicas dependían antes del día de carrera, es decir si he calificado en la parte media de la parrilla (pongamos un Ferrari que sabemos que va a remontar) el ingeniero probablemente sugiera una configuración que sacrifique las zonas lentas para tener más velocidad punta para adelantar con mayor facilidad a los rivales. De salir en la pole y según veamos a nuestros rivales nos centraremos en un paso por curva consistente o un balance aerodinámico totalmente neutro.

Ahora bien, esto hoy en día no es tan ajustable. El régimen de parque cerrado al que son sometidos los coches después de la clasificación impide que las aerodinámicas sean retocadas. Así pues el balance aerodinámico de los coches para la carrera tiene que estar configurado el sábado, para evitar este tipo de alerones flexibles o móviles.

Aleta   Dorsal

El Renault R30 presenta aleta dorsal

A principios de la temporada 2008, Red Bull Racing introdujo la “aleta dorsal” o “aleta de tiburón” en el recubrimiento del motor, dicha introducción en la parte posterior del chasis dio un aspecto radicalmente distinto a los monoplazas. Lentamente dicho elemento fue introducido o probado por el resto de equipos a lo largo de la temporada hasta que hoy día. Por ello a día de hoy, la montan la mayoría de equipos.

Primera aleta de tiburón o aleta dorsal inventada. Fue montada en el Red Bull RB4.

Dicha aleta está diseñada para mejorar la eficiencia cuando el coche realiza un viraje, debido a que redirige el flujo para prevenir una reducción de la downforce cuando el coche gira. 

Conceptualmente hablando, esta aleta se trata de una superficie plana, que tiene la función de encauzar adecuadamente el flujo hacia el alerón. Esto se obtiene, gracias a que esta separa el flujo proveniente de la proa del monoplaza, en dos flujos (uno por la derecha de esta, y otro por la izquierda), con lo que impide que ambos flujos se junten, y así lleguen más limpiamente al alerón trasero, es decir con menos turbulencias, con lo que se obtiene un mayor rendimiento de este.

Esta es la primera aplicación. De todas formas y teniendo en cuenta este objetivo, dicha aleta, trabaja de dos maneras:

1-Por una parte, divide al coche por la mitad, con lo que ”impide físicamente” que el flujo pase de un lado a otro, mitigando las turbulencias que se producen. El flujo que resbala por la superficie de la aleta, y debido al ”efecto Coanda”, se adecua a la superficie pegándose. Ello es así debido a la viscosidad y por tanto a la fricción, bien es cierto que aumentará la drag, pero los beneficios alcanzados en términos de lift, son mayores, con lo que compensa una cosa con otra.

Una de las funciones de la aleta dorsal es separar el flujo que circula por el lado derecho del monoplaza (en verde), del flujo que circula por el lado izquierdo (en amarillo).

2. Por otro lado, existen otros dos aspectos muy evidentes: 

Por una parte, sirve para estabilizar la dinámica del coche en curvas, ya que como hemos dicho antes, evita que los diferentes flujos se junten, con lo que cada uno de ellos tiene su propio recorrido, sin toparse en su camino con los otros flujos, todo e independientemente de la dinámica del monoplaza.

Por otra parte, también ayuda para situar el centro de presión lateral y global del coche, allí donde se requiera en cada momento. Ya que dependiendo de la dinámica del coche en

cada momento, el centro de presión lateral y global del coche variarán a depender de esta.

Aleta de tiburón Ferrari F2008

Ala   Delta

Ala Delta

El ala delta, es un tipo de alerón delantero que inicialmente fue introducido por BMW Sauber en la temporada 2008. La función de la cual es sencillamente generar downforce extra, siendo constituida por un perfil simple, con inclinación nula y de un pequeño espesor.

Esquema Ala Delta

Alas de   Cabina

Alas de cabina señaladas con dos flechas rojas

Son un tipo de apéndice aerodinámico, la función de las cuales son estabilizar el flujo alrededor de la cabina del piloto y permitir que el alerón trasero produzca un mayor downforce.

Esquema alas de cabina

Desde su creación, se han desarrollado diferentes versiones, ya sea sin incidencia, con ángulo de ataque positivo o con torsión, terminando en ángulo de ataque nulo. Esta última configuración intenta prevenir la aparición de vórtices en la punta de dichas alas.

Alas de cabina rodeadas por dos circunferencias rojas.

Alas   Dumbo

Alas Dumbo u Orejas de elefante

Conocidas como “alas dumbo” o “las orejas de elefante” fueron desarrolladas e introducidas por Honda Racing en 2007 y desde entonces muchos otros equipos las han introducido y creado su propia versión, a gusto de las necesidades de cada uno.

La función de estas, es de nuevo controlar el flujo de aire en la parte delantera del monoplaza, para canalizarlo de la manera deseada hacia la parte trasera del monoplaza.

Alas Dumbos u Orejas de elefante, rodeadas por una circunferencia roja.

Aletas   Tabique

Aletas tabique rodeadas por una circunferencia roja

Las aletas tabiques, son un tipo de aletas de cono, destinadas a la corrección de los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte media y luego a la trasera.

Su función no es la generación de empuje, sino el redirigir, dividir y/o repartir el flujo de aire incidente en ellas. Aparte de esto, también son diseñadas para 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, ya que han de crearse en idea a toda la geometría del coche. Esto se debe, a que el tipo de aleta tabique que sea buena para un coche, quizás no lo sea para otro, ya que este segundo tendrá una diferente geometría, respecto del primero.

Esquema aletas tabique

Aletas   Oreja

Aletas oreja rodeadas por una circunferencia roja

Las aletas oreja, son un tipo de aletas de cono, destinadas a la corrección de los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte media y luego a la trasera.

Su función, al igual que la del resto de las aletas de cono, no es la generación de empuje, sino el redirigir, dividir y/o repartir el flujo de aire incidente en ellas. Aparte de esto, también son diseñadas para 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, ya que han de crearse en idea a toda la geometría del coche. Esto se debe, a que el tipo de aleta oreja que sea buena para un coche, quizás no lo sea para otro, ya que este segundo tendrá una diferente geometría, respecto del primero.

Esquema aletas oreja

Carenados

Carenado o Tapacubo de F1

Los carenados, también conocidos coloquialmente como “tapacubos”, fueron introducidos, por primera vez,  en las ruedas de un F1, por Ferrari en la mitad de la temporada 2007 para producir una refrigeración de los frenos más eficiente.

Esquema carenado

Desde entonces, todos los equipos han ido diseñando sus propias versiones, y equipándolas en los monoplazas, hasta que fueron prohibidos a partir de la temporada 2010 por la FIA.

Tapacubo del equipo Honda en la temporada 2008

La función de los mismos, en un principio, era buscar una mejor refrigeración de los frenos del coche, por ello no eran cerrados completamente y se conseguía ventilar el freno por la parte exterior del mismo y no por las toberas del interior, mejorando claramente el rendimiento de los mismos. Seguidamente dieron una vuelta de tuerca al ingenio de los carenados. Se dieron cuenta de que imitando una llanta lenticular en los carenados delanteros, se conseguía acelerar el flujo del aire. ¿Interesante no? Si aceleramos el flujo del aire conseguiremos que este aire al pasar por la parte inferior de alerón trasero, apéndices y demás elementos aerodinámicos reduzca su presión de manera que en la parte superior la mayor presión generará algo de carga extra.

Tapacubo o carenado delantero

En cuanto a los carenados traseros, poco aportan a la eficiencia aerodinámica y su diseño más bien se establece para reducir las turbulencias alrededor de las ruedas traseras. Que recordemos, que para un ingeniero aerodinámico suponen (las turbulencias en la zona de las ruedas) un auténtico suplicio.

Tapacubo o carenado trasero

Cuernos de   Vikingo

Cuernos de Vikingo del Mclaren MP4-22 rodeados en amarillo

Los cuernos de vikingo fueron introducidos por McLaren en la temporada 2006, y fueron los primeros apéndices aerodinámicos de estética impactante introducidos en un GP, ya que a simple vista resaltan bastante. Estos se sitúan encima de la cabeza del piloto, a lado y lado de la toma de admisión, por lo que parecen unos auténticos cuernos de vikingo, de ahí el nombre.

Estos cuernos fueron diseñados con el simple o complejo objetivo de controlar de mejor manera el flujo de aire hacia el alerón trasero. Lo que nos ayuda a obtener un mayor rendimiento de este.

Los cuernos de vikingo, fueron copiados y probados por todos los equipos, todo y que tan sólo los mantuvieron en BMW Sauber y en Mclaren.

Esquema de los Cuernos de Vikingo

Morro   Canalizado

Morro Canalizado

El morro canalizado es una revolución aerodinámica introducida por Ferrari a principios de la temporada 2008 con el fin de aumentar la eficiencia (downforce) en el alerón delantero.

En un morro convencional, el flujo de aire golpea la parte de abajo del cono del morro creando una resistencia adicional así como reduciendo la eficiencia del alerón delantero. Por ello, aquí es donde Ferrari se ingenió el invento. Este consiste, en que abriendo un

canal que conecta la parte de abajo con la superior se consigue minimizar ese lastre que es mucho más crítico que la resistencia adicional que esta configuración proporciona a la parte superior del morro. Pero además, no solamente suaviza el flujo debajo del morro sino que adicionalmente, crea una zona de baja presión debajo del morro cuyos efectos beneficiosos, proporcionan un mayor downforce.

Esquema morro canalizado. (La flecha azul indica el recorrido del flujo de aire a través del morro canalizado)

Doble Alerón   Delantero

 

Doble Alerón Delantero

El doble alerón delantero, fue inventado por el equipo Mclaren en la temporada 2007, y constaba de, como su propio nombre indica un doble alerón delantero. Me explico, no es que fuera un doble alerón delantero, sino que era un alerón delantero normal y corriente, nada más que con otro plano encima del ya original, es decir, con un plano superpuesto encima del de siempre. Claro, que para ser correctos, hubiera sido mejor llamarlo alerón delantero con dos planos superpuestos.

Esquema alerón doble de Mclaren 2007

Para explicar el funcionamiento de este, se han de recordar varios aspectos, que conviene separar y diferenciar, y en algunos casos, unir. Estos son:1. Flexión.

2. Aumento de la Down-Force.

3. Canalización óptima del flujo hacia la popa.

4. Aumento de la potencia del motor.

Como se verá, algunas se pueden volver contraproducentes, ya que la normativa técnica es muy clara: cualquier elemento ha de flexionar una cierta cantidad o un cierto porcentaje como máximo.

Entonces, ¿Para qué se querría flexionar este dispositivo? En el caso del plano inferior del alerón delantero, el que está más próximo al suelo, es evidente, puesto que cuanto más cerca esté del asfalto, más down-force generará el coche en sí mismo. Pero, en el caso que nos atañe, la cuestión es más difícil de explicar, puesto que si deflecta desde su parte central, la down-force no aumenta directamente. Es posible que si deflecta una cierta cantidad, (se supone que dentro de los límites que marca la Normativa), haga que el alerón trasero o el propio cuerpo del coche, genere indirectamente más down-force. Pero esta es una cuestión que así, en principio, es imposible de saber sin conocer exactamente la geometría del coche en su conjunto. Para que debido a la deflexión en sentido longitudinal (que el borde de ataque descienda y el borde de fuga ascienda) y por tanto aumente la down-force, ha de estar muy bien calculado, puesto que cuanta más down-force se genere, más sucio será el flujo que reciba el resto del coche.

Alerones dobles de Williams 2008

Cabe señalar también, que otros equipos, han adoptado en varias ocasiones soluciones parecidas a esta. La cuestión que todas ellas tenían un soporte central, para evitar una deflexión excesiva y por tanto, penalizable. Al no llevar soporte central el sistema de McLaren, cabe pensar otras cosas, puesto que sería una solución sencilla y fácil. El hecho de doblarse por la parte central, sin cambiar su ángulo de incidencia, sólo modifica el flujo hacia la popa, no produciendo en sí mismo, y directamente, un aumento de la down-force. Si nos ceñimos a la posible modificación o alteración del flujo, podemos decir que es posible adecuar convenientemente el flujo hacia la popa, con el objetivo de que el alerón trasero sea más eficiente. También es posible adecuar el flujo, de manera que los pontones generen más down-force e incluso, adecuando el flujo se produzca una mejor refrigeración del motor. Todos estos casos son muy complicados de determinar y conocer, si no se ha seguido el diseño desde un principio, y sobre todo, conocer sus razones y objetivos.

Alerón doble de Ferrari 2008

 Quizás poca gente lo sepa, pero el diseño del casco es extremadamente importante en la cuantificación de la potencia del motor. De hecho, cualquier elemento que este por delante de la toma de admisión, afecta directamente a la potencia del motor, incluso el pitot.  Esto es algo que será comentado en lecciones posteriores.

Desde este punto de vista, es posible que la colocación del nuevo dispositivo, responda a este objetivo, pero es algo difícil también de responder, si no se tiene la geometría completa del coche Dicho todo lo dicho, una última y decisiva apreciación: Si añadimos a lo mencionado, la constatación de que el ala no posee soporte central, nos daremos cuenta de que lo que se está pretendiendo es interferir lo mínimo posible en el flujo hacia la toma de admisión, ya que en caso de existir este soporte, alteraría negativamente dicho flujo.  Por tanto y como resumen, diré que se trata de una solución aerodinámica cuyo objetivo es aumentar la potencia del motor, adecuando el flujo hacia la toma de admisión. Cuantificar en qué grado aumenta dicha presión, como siempre, es muy difícil sin tener la geometría total del coche.

Variación del Ángulo de ataque del Alerón   delantero

Grados de variación del alerón delantero

Dentro del contexto del reglamento implantado a partir de la temporada 2009, enfocado a aumentar los adelantamientos básicamente, encontramos que el alerón delantero  sufrió muchas modificaciones como: la neutralización del perfil central (adiós a los complicados perfiles ideados por los equipos), la nueva anchura y finalmente el más importante (y seguramente la modificación aerodinámica más importante): la variación del ángulo de ataque del alerón delantero por parte de los pilotos.

Al pié de la regla se trata de toda una revolución en la Fórmula 1, de hecho no es una novedad: la variación del ángulo de ataque de los alerones fue prohibido en los setenta poco después de la revolución de la aerodinámica con la entrada en juego del efecto suelo en la Fórmula 1. La razón de que esto sea revolución reside en las ventaja que proporciona: al variar el ángulo de ataque del alerón, se modifica el ángulo de incidencia del flujo de aire limpio que lleva al coche, cuanto más pronunciado es el ángulo de ataque mayor es la presión que ejerce el aire sobre el alerón y por lo tanto mayor es la fuerza resultante sobre este, por consiguiente aumenta el downforce a la par que aumenta la resistencia aerodinámica. Existen por lo tanto dos consecuencias ventajosas:

Velocidad Máxima/Downforce Máximo: Brinda la posibilidad de que el monoplaza alcance la velocidad punta en una recta (ángulo de ataque nulo) cuando minimizamos la resistencia en el alerón y luego aumentar el ángulo de ataque para obtener más downforce y realizar a mayor velocidad las curvas rápidas.

Facilitación de Adelantamientos: Su uso más importante (y la filosofía por la cual fue introducido) es la de facilitar los adelantamientos. Esto se produce puesto que cuando un monoplaza sigue de cerca a otro, debido al aire sucio se produce una pérdida de downforce en la parte delantera del monoplaza que termina traduciéndose en subviraje para el monoplaza. De esta forma, ajustando el alerón se puede compensar esa pérdida de downforce y evitar en la medida de lo posible el subviraje.

Según la normativa, los pilotos deben de ser capaces de realizar, como máximo, dos ajustes en el perfil principal del alerón delantero (normalmente se trata del segundo perfil de la cascada de perfiles), dos veces por vuelta, un rango de 6° (-3° a +3° des de la posición neutral).

Control del ala móvil

El modo en que los equipos han incorporado el alerón móvil sobre sus monoplazas viene a ser el mismo, aprovechando el plano vertical en los extremos del alerón (que sirve para controlar el flujo de aire antes de su incidencia en las ruedas y para disminuir los torbellinos al final de un ala que provocan resistencia. El equivalente en los aviones son los Winglets en los bordes de las alas, los equipos han montado un eje en la base del ala móvil adjuntada a los planos laterales, para hacer girar el ala sobre su eje, del mismo modo que se controlan los flaps en los aviones pero a una escala mucho más pequeña.

La mayoría de los equipos han optado por la solución de montar un pequeño motor enganchado al alerón que a través de un pequeño y sencillo sistema neumático se encarga de mover el alerón y lo que es más importante (y determina las especificaciones del

motorcito): aguantar la fuerza que el aire ejerce sobre el ala para mantener el ala en esa incidencia a través de una varilla que une el motor con el ala móvil.

Cómo primera aproximación a la dimensionalización de dicho motor (cada equipo ha optado por montarlo en una parte distinta del alerón), podemos considerar una fuerza ejercida por el aire de unos 2800 N. Esta fuerza aplicada sobre la superficie mojada de una de las alas móviles produce una fuerza aproximada de 300 N significa que el par que debería vencer el motor sería de unos 150 N•m.

Dicha cantidad es la que debe ejercer el motor de forma constante para aguantar el ala móvil en una cierta posición o para llevarla a una posición fija. La implementación de un motor de estas características no presenta grandes problemas para las escuderías puesto que el peso de un micro motor neumático puede llegar a ser de unos 100 g y su funcionamiento está bastante extendido.

Difusor   Doble

El difusor doble, es como su propio nombre indica, un difusor, que fue diseñado por el equipo Brawn GP, en la temporada 2009, y que dio mucho que hablar alrededor de su legalidad. Claro, que finalmente lo acabaron montando todos los equipos.

Veamos la pieza en cuestión para posteriormente pasar a verla en funcionamiento en conjunto con el resto del monoplaza.

Doble Difusor del equipo Brawn GP

Ahí lo tenemos. Se trata de una pieza que va colocada en altura un poco por debajo del eje de giro de las ruedas traseras y un poco por detrás de este. La parte de delante del mismo, que no se aprecia en la foto, lleva una especie de rampa inclinada a ambos lados de atrás a delante y hacia abajo, y en el centro una especie de V con una inclinación más suave.

Según apuntan por numerosos sitios lo que parece aportar este difusor es un mayor efecto suelo en el coche. Y alguien pensará… ¿Qué es eso del efecto suelo? Habría que decirle, que se revise la lección en la que hablamos de él, pero de todas maneras, ya para ahórrale trabajo se lo recordamos.

Pues muy sencillo, es un efecto que se produce por diferencia de presiones en los lados de un cuerpo cuando se acerca al suelo. En la Formula 1 normalmente está motivado por un efecto que descubrió un tal Venturi (efecto Venturi) que consiste en que cuando un fluido es canalizado y se produce en el canal por donde pasa un estrechamiento, el fluido pasa a mayor velocidad por ese estrechamiento disminuyendo en el mismo la presión. Produciendose una especie de succión.

Existe otro efecto suelo utilizado en aeronáutica, pero que es distinto a este. Y por el momento no nos interesa demasiado. Para no desviarnos del tema que nos ocupa.

Dado que siempre vale más una imagen que mil palabras, aquí una ilustración del curioso efecto venturi:

Tubo efecto Venturi

Bueno, pues veamos que es lo que pasa en un monoplaza de Formula 1. Advertir que el efecto suelo en un Formula 1 es muy peligroso, ya que si alguien diseña un coche basando su estabilidad y su tracción solamente en ese efecto de succión aerodinámica, podría pasar que si el coche coge un bache y pierde esa succión que lo mantiene pegado al suelo, ya nada le retendría en el mismo y podría salir volando con el consecuente riesgo para pilotos y espectadores. Con lo cual, se trata de que el coche traccione en base a fuerzas de gravedad y downforce aerodinámica, evitando lo máximo posible el efecto suelo.

En la mayoría de los medios se está oyendo que el difusor de Brawn GP produce un gran efecto suelo. Claro que en realidad, no se produce mucho más efecto suelo que en los demás coches. Por ello, la clave del “mágico” difusor está en su comportamiento con el conjunto aerodinámico del coche. Fijémonos en la siguiente imagen:

Recorrido del flujo de aire a lo largo del monoplaza

Las líneas amarillas representan el flujo de aire por debajo del coche. Como se ve hay un estrechamiento y luego una expansión, con lo cual algo de efecto suelo existe, lógicamente, pero no más que en otros monoplazas. Ahora bien hay algo muy diferente que es el flujo de aire superior representado por las líneas verdes. Este es dirigido a la parte de arriba del difusor. Al contar este con una especie de rampa en su parte delantera provoca cierta resistencia aerodinámica y cierta “downforce” al mismo tiempo. Vamos que es una especie de aleron abajo. Además al estar acampanado terminado en una V canaliza el aire hacia el vertice de la V posibilitando que el centro de presiones (cdp) no se desplace demasiado lateralmente en curvas y consiguiendo así una gran estabilidad del vehículo.

Además al producir este difusor ya bastante downforce por el flujo de aire que le llega por arriba se puede bajar bastante el ángulo del ala superior consiguiendo así una menor resistencia al avance del monoplaza y por lo tanto una mayor velocidad. De ahí el segundo de ventaja con el que contaban los monoplazas de Brawn GP con respecto al resto de monoplazas que no montaban este invento, en la temporada 2009.

Recorrido del flujo por la parte trasera del monoplaza

Como puede verse, todo el diseño aerodinámico del coche trabaja en conjunto. Veamos en la imagen de arriba como las carcasas de los huecos de ventilación están perfiladas para que el flujo de aire llegue hasta la parte de arriba del difusor. Tiene un diseño aerodinámico que hace que las diferentes partes del coche trabajen en conjunto. De ahí que no será tan fácil copiarlo, ya que los equipos tendrán que cambiar chasis y disposición de componentes dentro del mismo para poder hacer algo parecido.

Fijémonos por ejemplo, en Mclaren. La filosofía tan distinta de diseño aerodinámico que construyó, que según lo visto en los tiempos por vuelta parecía bastante menos eficiente y que para nada contempló dirigir el flujo aerodinámico superior al difusor:

Difusor Mclaren 2009

El coche era mucho más cuadrado y desviaba el flujo superior hacia atrás pero no hacia abajo, hacia el difusor.

Por último, aquí una vista frontal del difusor más detallada y una imagen esquemática de cómo van los flujos en el difusor.

En la imagen se pueden ver los flujos a su paso por el difusor, en la vista de alzado y en la vista en planta desde arriba respectivamente.

Según vemos en el esquema parece que en la zona de debajo de la V se genera una depresión ya que no hay aire, al colarse el aire que viene de los bajos del coche por dentro de la V. De hecho los faldones verticales más largos a ambos lados de la V muy probablemente están indicando que en esa zona hay baja presión y son más largos para que

no se succione aire de los laterales. El aire que pasa por encima del difusor pasa a mayor presión y justo debajo tiene una depresión generada por barrido de la especie de canalización que forma la V que a la entrada no es una V es simplemente una especie de tobera rectangular para barrer el aire que llega de los bajos a esa zona. Con lo que debajo de la V no queda aire y se produce bastante “downforce” por la diferencia de presiones.

Llantas   Monotuerca

Nuevas llantas monotuerca de Ferrari

Las llantas monotuerca, como su propio nombre indica, son un tipo de llantas con una sola tuerca, que fueron introducidas por Ferrari en la temporada 2010, con el objetivo de que estas cumplieran la función de los prohibidos a partir de esa temporada carenados o tapacubos, y para acelerar el cambio de neumáticos.

En un primer momento, dieron mucha polémica, ya que en esa temporada habían sido prohibidos los tapacubos. Pero pronto la FIA dio el visto bueno a este sistema, y Ferrari lo montó.

Llanta Monotuerca de Ferrari

Estas llantas monotuercas presentan dos ventajas.

El primer objetivo de este invento, es mejorar el flujo de aire alrededor de la rueda, para adecuarlo de la manera deseada hacia parte trasera del monoplaza.  Esto es debido, gracias a la forma de la llanta, ya que como se puede ver en la imagen, está formada por diversos discos metálicos concéntricos, que permiten modelar el flujo del aire.

Esquema llantas monotuerca

Claro que además de esto, también existe otra ventaja, y esa es la tuerca de la llanta. Como podemos observar, la llanta, tan solo lleva una gran tuerca y no diversas, como era de esperar, de ahí monotuerca. Esto, aunque parezca una tontería, ayuda en las paradas en boxes, para acelerar el proceso de cambio de neumáticos, con lo que se reduce el tiempo en las paradas. Esto se debe a que hay una traba o pasador a cada lado de la tuerca, para que encaje en su posición cuando el mecánico quita la pistola de neumáticos tras el cambio de ruedas.

Esquema de la tuerca de la llanta monotuerca

F-Duct

Esquema F-Duct

El F-Duct, es un mecanismo aerodinámico que fue inventado por el equipo Mclaren en la temporada 2010, que en poco tiempo fue incorporado por la mayoría de los equipos.

F-Duct de Mclaren

Por ello ya sabemos qué demonios hacía McLaren con todo esa parafina verde durante las pruebas de pretemporada. En un principio nos parecía que se trataba de problemas. Pero no. Simplemente, se estuvo comprobando los resultados del túnel del viento, y que su ingenioso invento, el ‘F-duct’, funcionaba tal y como decían sus modelos CFD. ¿Es una trampa, o es fruto del ingenio de McLaren?

Ahora se entienden todas aquellas pruebas. Sensores por todos lados, y parafina a mansalva. Está claro que conforme pasaron los test, la importancia del tubo en la parte superior del chasis se fue haciendo evidente en el MP4-25. Sólo el experto Craig Scarborough fue capaz de dar una explicación a tal hecho, puesto que a la vista de semejante despliegue de comprobaciones aerodinámicas, se preguntó: “El viernes el coche rodó con una serie de sensores colocados en el alerón trasero. Sin embargo, hay otro sensor montado en un conducto de refrigeración. Así que me planteo la siguiente cuestión: ¿por qué quieres poner a prueba el alerón trasero y el conducto de refrigeración a la vez?”

Al principio se creyó que ese tubo era sólo una entrada para enfriar la ‘cockpit’ del piloto. Varios equipos tienen entradas similares en la zona para complementar la entrada de aire. En el ‘copkit’ se encuentran una serie de cajas electrónicas e hidráulicas de apartamento muy importantes, por lo que se requiere refrigeración. Así que en un principio no levantó demasiadas sospechas por el paddock.

Sin embargo, dichas entradas de aire empezaron a sustituirse por un tubo alabeado con una complejidad innecesaria para este conducto. ¿Qué estaba pasando?

Entrada de aire F-Duct (señalada con la flecha amarilla)

Así que lo que fue un rumor se convirtió en una realidad. Es decir, que lo que tenemos es una entrada de aire en la nariz del monoplaza que está conectada a través de un conducto que pasa por el ‘copkit’, el depósito de combustible, la chimenea o ‘airbox’ y la aleta del tiburón, y cuya función final en soplar aire en el alerón trasero. Con ello conseguimos que el aire que pasa a través del alerón trasero pase de un funcionamiento en régimen laminar, a un funcionamiento en régimen turbulento.

Entrada de aire F-Duct

¿Qué demonios quiere decir esto?

 

Muy sencillo, la carga aerodinámica máxima se consigue con ese régimen laminar, y eso es muy útil por las curvas del circuito. A más carga, más agarre y más velocidad en el ápice de la curva, ¿pero de qué sirve eso en una recta?

El experimento es bastante sencillo, seguro que cuando eras pequeño e ibas en un coche en marcha a toda velocidad, has sacado la mano en vertical por la ventanilla alguna vez. ¿Qué pasaba? Inmediatamente, la mano se te iba para atrás debido a la fuerza que generaba el aire contra tu mano. Pero, inmediatamente, si ponías la mano en horizontal, la carga sobre tu mano disminuía y tenías que hacer menos fuerza para sustentarla.

Esa es la cuestión. Con la mano en horizontal generas menos resistencia al viento, y por tanto puedes conseguir más velocidad punta. Eso es lo que busca McLaren, disminuir la carga aerodinámica, y la resistencia al viento, para conseguir más velocidad en las rectas de los circuitos.

Lo más fácil en estos casos, sería hacer como tú hiciste de pequeño, es decir, cambiar la incidencia del alerón trasero (la mano en tu caso). Un alerón más inclinado genera más carga, y uno más plano menos. Pero eso está prohibido, claro, ya que no están permitidos los elementos movibles aerodinámicos. Por ello se han inventado este sistema, donde el elemento movible es el piloto.

El piloto es el que pone en marcha este sistema cuando está en una recta, que es cuando quieren perder carga en el alerón trasero, y ganar velocidad punta. Para ello, los pilotos

pulsan con su pierna izquierda una válvula que cierra el conducto y que hace que desde que presionan la válvula el aire que entra por el ‘snorkel’ delantero pase a través del ‘F-duct’ y llegue hasta el alerón trasero. Este, entrará en pérdida, y será como si le hubieses modificado su incidencia, como si estuviese más plano, y por tanto, según se ha comprobado en el MP4-25, ganarás del orden de 5 a 7 Km/h en la recta. Se piensa que esta válvula podría estar cerca de alguno de los pedales, seguramente en la zona del freno derecho, pero no hay nada seguro, ya que eso nunca lo desveló Mclaren.

Posición de la pierna del piloto tapando la entrada de aire, para hacer funcionar el F-Duct

¿Qué pasa en la curvas?

Pues que el conducto está abierto dentro del ‘copkit’, es decir que entra aire por el ‘snorkel’ y no se cierra, por lo que se sale por la válvula que no está pulsada por los pilotos. Así su alerón funciona como todos los alerones traseros.

Posición de la pierna del piloto destapando la entrada de aire, para hacer que el F-Duct deje de funcionar

¿Pero cómo funciona con más detalle este sistema?

En un coche de F1, como hemos dicho en más de una ocasión, el alerón trasero crea alrededor de un tercio de la carga aerodinámica coches. Pero al correr a alta velocidad la resistencia que genera el alerón trasero es tremenda. Además, hay que tener en cuenta que para que estos alerones funcionen perfectamente, deben de tener una ranura en medio del alerón que ayude a mantener el flujo pegado al ala, porque sino el alerón también entra en ‘perdida’.

Recorrido ideal del flujo a través del alerón trasero, ya que permanece en todo momento pegado al plano de este. El problema es que lograr esto en un alerón con un solo plano, como el de la imagen, es imposible, ya que el flujo, a partir de una distancia concreta,

tiende a separarse por leyes físicas. Por ello han de estar formados por dos planos, separados por una ranura entre ellos.

Es decir, que los alerones traseros estarán formados por 2 alas superpuestas, dejando una ranura entre ellas.

Lo que hace el conducto de McLaren es soplar aire adicional sobre la ranura de separación del alerón trasero, para romper el flujo laminar, convertirlo en turbulento, y disminuir la resistencia.

Alerón 1 plano

Un ala de un solo elemento donde vemos como el flujo se separa del ala. Esto es malo, ya que el ala entra en “pérdida”, por lo que no realiza su función.

Alerón con un solo plano. Como el flujo se separa del ala, este entra en pérdida.

Alerón 2 planos

Con un ala de dos elementos, el flujo pasa a través de la ranura para evitar la separación del fluido, manteniendo el régimen laminar. Esto da lugar a una mayor carga aerodinámica, y por ello es bueno en curvas, y malo en rectas.

Alerón con dos planos. Como el flujo no se separa del ala, este no entra en pérdida.

Alerón Mclaren 2010

Cuando el conducto sopla en la ranura del alerón trasero puede romper el flujo laminar del aire, lo que provoca turbulencias detrás del alerón, su entrada en pérdida, y permite la perdida de resistencia. Esto da lugar a una menor resistencia aerodinámica, por lo que es bueno para la rectas y malo en curvas.

Alerón Mclaren 2010. Si el conducto sopla aire, el alerón entra en pérdida. Si el conducto no sopla aire, este no entra en pérdida.

Esto sería posible de varias maneras, por ejemplo, una podría ser que la ranura esté orientada de manera diferente a la corriente de aire que sopla sobre ella, es decir al conducto. Si se encuentra cerca de la perpendicular a la corriente, podría ser un golpe suficientemente elevado como para interrumpir el flujo de aire suficiente para detener el ala. Estos planteamientos tendrían que ajustarse para no tener ningún efecto a velocidades inferiores a la velocidad máxima en la recta, por lo que el ala daría la carga aerodinámica normal por las zonas que fueran necesarias, como por ejemplo, las curvas de alta velocidad de Barcelona.

Como curiosidad, decir que se inventaron diversos métodos para tapar la entrada de aire, a parte del inventado por Mclaren, en el cual tapaban esta entrada con la rodilla.

En Sauber lo tapaban con el hombro izquierdo, ya que la entrada de aire se encontraba en el pontón izquierdo.

Entrada de aire del F-Duct del equipo Sauber

En Ferrari lo tapaban con la mano izquierda, ya que la entrada de aire se encontraba en la parte izquierda del cockpit.

Entrada de aire del F-Duct del equipo Ferrari

Toma de Admisión   Doble

Toma de admisión doble

La toma de admisión doble, es una novedad aerodinámica creada por el equipo Mercedes GP en la temporada 2010. Esta fue bastante llamativa a la vista, ya que presentaba una cubierta de motor distinta, a las vistas hasta ese momento.

Antes de nada, decir que la principal diferencia entre la nueva cubierta motor y la antigua, es tan solo la toma de admisión al motor, que como todos sabemos y ya se comentó en lecciones anteriores, es el orificio que suele estar situado encima de la cabeza del piloto, en todo monoplaza de competición.

Antigua toma de admisión

Toma de admisión doble

Claro que, aunque tan sólo se cambiara la forma de la toma de admisión, esto es bastante como para hacer que cambie por completo todo el comportamiento aerodinámico del coche, todo e influyendo en el downforce y drag generado por este.

Bien, una vez dicho de esto, comencemos a analizar la razón del cambio de la toma de admisión.

Como siempre, partimos del objetivo prioritario de un ingeniero a la hora de mejorar la aerodinámica de un monoplaza, que como en muchas ocasiones he dicho, este es: disminuir el drag (resistencia al aire)  y aumentar el downforce (agarre).

Por tanto la primera ventaja con la que nos encontramos estudiando el recorrido del flujo es que al dividir la toma de admisión en dos más pequeñas, conseguimos que se reduzca sustancialmente el drag de la misma, todo y cumpliendo su función de igual manera. Esto se debe a que, el flujo al llegar a la toma de admisión antigua, entraba todo por el mismo sitio, a mogollón, generando una mayor resistencia aerodinámica (drag), y por el contrario, al llegar a la nueva toma de admisión, este se divide en dos, lo que hace que su camino hacia el motor sea mucho más fácil y desahogado, todo y cumpliendo con la misma función, ya que no entra todo a mogollón por el mismo lugar.

Vista frontal del recorrido del flujo, a su paso por la toma de admisión. (En rojo, flujo dirigido a la toma de admisión. En verde, flujo dirigido al alerón trasero)

Vista lateral del recorrido del flujo, a su paso por la toma de admisión. (En rojo, flujo dirigido a la toma de admisión. En verde, flujo dirigido al alerón trasero)

Es decir, para que se entienda, es como si tuviéramos veinte personas para pasar de una habitación a otra, y para ellos tuviéramos dos opciones. La primera de ellas sería tener solo una puerta, y por tanto las veinte, tendrían que pasar por la misma, lo que haría que el paso fuera más lento, y costara más (funcionamiento de la toma antigua). Sin embargo,  la segunda opción sería que tuviéramos dos puertas, con lo que pasarían diez por una puerta, y diez por otra, acción con la que ganamos en tiempo de espera, velocidad de paso y encima hacemos la misma función, o lo que es lo mismo aplicado en fórmula 1, se realiza la misma función, todo y generando menos drag.

En segundo lugar, la otra ventaja que podemos observar, es que al ofrecerse una menor resistencia aerodinámica (drag), el aire pasa mucho más fácilmente, fluido y con menos turbulencias, lo que favorece al alerón trasero, a que realiza su función de mejor manera. Este se debe a que si al alerón trasero, le llega el aire más limpio, es decir con menos turbulencias, el paso de esto a través del ala se hace mucho más fácil y llevadero, lo que hace que el alerón funcione mejor y se exprima de él, mucho más su función.

Además de favorecer al comportamiento y funcionamiento del alerón trasero, también favorece al alerón delantero. Ya que podemos quitarle mayor ángulo de incidencia, ya que no necesitamos, para sacarle el máximo partido posible al alerón trasero, que el flujo de aire se eleve tanto como para esquivar la resistencia que le ofrece la toma de admisión,  todo y evitando que este se vuelva turbulento  a su paso por la toma. Con esto ganamos en velocidad, ya que perdemos en resistencia aerodinámica (drag).

En tercer lugar, destacar, que con este nuevo inventó, también se logró bajar el punto de gravedad del monoplaza, algo muy importante, como hemos comentado en numerosas ocasiones. Ya que bajando el centro de gravedad se consigue una mayor estabilidad del monoplaza, debido a que la entrada de aire es más ancha y más baja.

En cuarto lugar, posiblemente, puede que la división de la toma en dos, beneficie a la manera con la que entre el aire en el motor, todo y sacando mayor rendimiento de este. Pero, de esto no estoy 100% seguro, ya que tendríamos que conocer por dentro como es el W01, y como ello lo desconocemos, tan sólo puedo intuirlo.

Por tanto, y finalmente, podemos decir que este novedoso invento por parte de Mercedes GP, es bastante inteligente y bueno, ya que con él ganamos en downforce y velocidad, todo y perdiendo drag, mientas otros equipos se calentaban la cabeza inventado un F-Duct, que proporcionaba estas mismas ventajas.

Difusor Soplado por los   Escapes

El difusor soplado por los escapes, fue una novedad aerodinámica reincorporada a la formula 1 por el equipo Red Bull, en la temporada 2010.

Esquema de la situación de los escapes soplados al difusor, en el conjunto de toda la suspensión de la parte trasera del monoplaza. La flecha roja indica el recorrido del flujo procedente de los escapes, hacia el difusor.

Esquema detallado de la situación de los escapes soplados al difusor. La flecha roja indica el recorrido del flujo procedente de los escapes, hacia el difusor.

Como en la temporada  2010 el difusor seguía siendo una pieza clave en el diseño de un F1, a los ingenieros de Red Bull, se les ocurrió aprovechar al máximo la creación de una zona de baja presión debajo del monoplaza, que es tan importante como siempre, sobre todo después de que en 2009 se introdujeran nuevas normas para la reducción del apoyo aerodinámico. El en la temporada 2009 se pudo ver cómo los equipos aprovechaban una laguna del reglamento para crear el doble-difusor, con entradas adicionales de aire que alimentaban salidas cada vez más grandes. Pero tuvo que ser, cómo no, Adrian Newey, el que desempolvara el libro de la historia técnica para reinventar un concepto que había sido

casi olvidado. Durante la temporada 2009 lo hizo con la suspensión trasera de tirantes, y en el 2010 con el difusor soplado por el escape. Los gases de escape logran que un mayor caudal de aire pase por el difusor, aumentando la carga aerodinámica.

Como bien sabemos, el difusor es un dispositivo simple, un conducto divergente en el que el aire se acelera creando una zona de baja presión que succiona el coche contra el suelo. La FIA ha actuado en varias ocasiones desde mediados de los ochenta para limitar su potencial reduciendo su altura y longitud. Además del propio flujo de aire que pasa por él, el mayor desarrollo en los últimos años ha estado en el flujo que pasa por encima de él, flujo que ayuda a una mayor velocidad de salida del aire bajo el difusor aumentando su eficacia. Éste es el motivo por el que los pontones de un F1 son cada vez más pequeños y bajos, dejando al difusor cada vez más expuesto; cuanto mayor sea el flujo que pasa por encima del difusor, mayor capacidad tiene para extraer aire de debajo de él.

Sin embargo, en la parte trasera del coche tenemos otra poderosa fuente de flujo de aire, los escapes. Los gases provenientes del escape pueden conducir el flujo a través del difusor, ya sea soplando en su interior o sobre su parte superior.

Esquema parte trasera del monoplaza, con este tipo de situación de los escapes. En amarillo, se puede observar la salida del difusor.

Esquema recorrido del flujo de aire por el difusor. En rojo, las salidas de los escapes. En amarillo el recorrido del flujo, procedente de los escapes, a lo largo del difusor.

Esquema recorrido del flujo, procedente de los escapes, por la parte trasera y el difusor. La flecha amarilla, indica el recorrido del flujo que se desvia por la zona de entre el alerón trasero y el difusor. En amarillo, a la do y lado del difusor, las salidas al difusor de los caminos que recorre el flujo procedente de los escapes.

Esquema recorrido flujos por la parte trasera del monoplaza. En rojo, recorrido del flujo procedente de los escapes hacia el difusor. En amarillo, recorrido del flujo procedente del fondo plano hacia el difusor, que circula por debajo del monoplaza.

Como hemos comentado, la solución no es nueva, ya que en 1983 Renault ya explotaba esta idea sacando los gases de su motor turbo a través del difusor. La mayoría de equipos tomaron buena nota, experimentando muchos años con diferentes posiciones de las salidas de los escapes en relación al difusor.

Pero cuando desparecieron los motores turbo, los gases del escape de los motores atmosféricos ya no estaban suavizados por el turbo, haciendo que el flujo fuera más brusco según si el piloto aceleraba o no. Cuando aceleraba el apoyo aerodinámico era elevado, pero al levantar el pie del acelerador el flujo disminuía mucho. Para evitar esta sensibilidad los equipos fueron trasladando los escapes para que soplaran sobre el difusor para después alejarlos definitivamente de allí debido a que los motoristas exigían a los diseñadores tubos de escape muy cortos.

Adrian Newey volvió al difusor soplado con el muy experimental McLaren MP4-18 en 2003, colocando los escapes para que soplaran por los canales laterales hacia el canal central, pero diversos problemas técnicos hicieron que aquel coche nunca compitiera. Aquel F1 fue sustituido por el MP4-17D y el MP4-19, ambos con escapes convencionales.

Pero, en la temporada 2010 el Red Bull RB6 tenía un difusor soplado, pero en el equipo se esforzaron mucho en tratar de impedir que sus rivales lo copiaran. En la presentación del RB6 y en los primeros tests lucía los escapes convencionales del RB5, pero en el último test antes de que comenzara la temporada, los escapes se desplazaron hacia el fondo del

monoplaza, simulando ingeniosamente con unas pegatinas que los escapes seguían estando en el mismo lugar de antes, para tratar de engañar a los curiosos. Claro que para decepción de ellos, no lograron engañar a todo el mundo, ya que los observadores más inteligentes tardaron poco de darse cuenta del truco.

Vista lateral de los escapes. Se pueden ver los verdaderos escapes casi abajo del todo, en color marron, y los falsos escapes (pegatinas) arriba de estos en gris.

Vista desde arriba de los escapes. Se pueden ver los falsos escapes (pegatinas) en la parte de arriba, en color gris, y los verdaderos abajo al lado de los falsos, en color marrón.

Los escapes de este tipo necesitan trapecios de suspensión elevados para soplar por debajo de ellos evitando problemas de calentamiento en las piezas de fibra de carbono y es por ello que la introducción de los escapes bajos exige cambios en la suspensión trasera. Esto, no resultó ser ninguna complicación para Red Bull, ya que el tipo de suspensión que

montaban, pull-rod, era la idónea para este tipo de mecanismo. Muchas veces estas piezas se protegen con una película de oro o un acabado cerámico que refleje el calor.

Un efecto secundario pero también beneficioso de estos escapes está en el calentamiento de los neumáticos traseros. Es interesante comprobar cómo Red Bull jugó para variar este efecto. El RB6 tenía un nervio en el suelo entre el escape y el neumático trasero pero en el gran premio de Canadá de 2010, donde los neumáticos no alcanzaban la temperatura idónea, este nervio se retiró.

Nomenclaturas Técnicas   Aerodinámicas

A modo de resumen del apartado de aerodinámica, a continuación se citan una serie de esquemas de las diferentes partes de un formula 1, en las que aparecen las nomenclaturas tecnicas de cada uno de los elementos aerodinámicos pertenecientes a dichas partes.

Esquema vista superior

Esquema vista lateral

Esquema vista alerón delantero

Esquema vista alerón trasero

Esquema vista difusor

Conclusiones

Diferencias aerodinámicas, entre el monoplaza de la temporada 2008 (a la derecha) y el monoplaza de la temporada 2009 (a la izquieda)

Un monoplaza de Fórmula 1 se diseña con un chasis estrecho con sidepods y alerones traseros y delanteros. La downforce es creada por la forma de alerón invertido del chasis y sus túneles y los perfiles de los alerones delantero y trasero. El alerón delantero guía el aire por debajo y por encima de los sidepods. La eficiencia del alerón trasero depende fundamentalmente del flujo que sale de los túneles. El mejor diseño es aquél que integra esos tres componentes y es capaz de optimizar las prestaciones aerodinámicas del monoplaza. Cada circuito dicta cual es la configuración aerodinámica idónea.

Una configuración que proporcione una alta downforce es apropiada para los circuitos lentos (urbanos normalmente) pero no será competitiva en circuitos rápidos. Todos estos factores deben ser tenidos en cuenta por los diseñadores al abordar la concepción del chasis de un Fórmula 1.

En los circuitos rápidos tal y como ya se ha comentado los alerones delanteros y traseros se utilizan como elementos estabilizadores y la mayor parte del downforce proviene de la geometría del chasis y del diseño de la panza del monoplaza. Estos aspectos han sido comentados en secciones anteriores; los alerones delanteros tiene menor superficie y los traseros son más horizontales con una sola ala; maximización de downforce minimización de resistencia. La configuración óptima sería por supuesto la disposición por parte del piloto de alerones con ángulos de ataque variables.

Figura 8 - BMW Sauber en el GP de Monza 08

Figura 9 - BMW Sauber en el GP de Mónaco 08

Las Figuras 8 y 9 ilustran distintas configuraciones, en ambas se puede observar el BMW Sauber de 2008, la Fig.8 es una configuración para pista rápida, concretamente para el GP de Monza, el circuito más rápido del mundial dónde se alcanzan velocidades de 340 km/h con los motores actuales, la Fig.9 muestra la configuración para Montecarlo, el circuito más lento y más poblado de curvas del mundial. Las diferencias saltan a la vista y están indicadas en la Fig.9. En esta el alerón delantero tiene un perfil adicional, es más ancho y la curvatura de su parte central está más pronunciada para obtener más downforce. Dos alas en delta están presentes en el morro. Por lo que se refiere al alerón trasero tiene un flap adicional y cuenta con un mayor ángulo de ataque.

Las limitaciones en el “efecto suelo“, limitaron las medidas de los alerones (provocando que se necesitaran de mayores ángulos de ataque), adicionalmente los vórtices creados por las ruedas al aire llevan a que los fórmula 1 tengan un alto coeficiente de resistencia Cx alrededor de la unidad (en comparación con los utilitarios que suelen tenerlo entre 0.25-0.35), así que a pesar de la enorme potencia que desarrollan los motores, las velocidades punta son incluso menores que las de las Flechas Plateadas de Auto Union. No obstante esta resistencia está más que compensada por la posibilidad de tomar las curvas a altísimas velocidades