Los secretos de la F-1

Abstract: Cuando una persona, intenta conocer algo, intenta o pretende averiguar el proceso de cierta actividad, es irremediable empezar por las bases de dicha actividad; perece de perogrullo esta consideración, pero existen muchos campos y materias, sobre todo las técnicas, en que esta afirmación no se tiene en cuenta;

si ello pasa, se está empezando la casa por el tejado; la adquisición de la base en general, de los principios fundamentales y todo lo que conlleva, implica un mejor conocimiento y una mejor adquisición de las herramientas que nos van a permitir desempeñar la actividad de modo seguro y sobre todo, eficiente. En el mundo de la Competición, ambos aspectos, son más que importantes.

Introducción: La dinámica de cualquier fluido, viene determinada básicamente, por 2 aspectos:

    * Las propiedades de dicho fluido.
    * Las leyes o principios que regulan y marcan la evolución o dinámica.

Estas son las 2 cosas que vamos, en este artículo, a exponer; lo vamos a hacer de una forma sencilla, clara y concisa, sin aditamentos varios que ensombrezcan el fondo, sin ecuaciones matemáticas “raras”, sin demasiado número, si bien, entendiendo y sabiendo, que la aerodinámica, es una de las ciencias, en la que el conocimiento de las matemáticas y la física, tienen más importancia.  He conocido a mucha gente que cree que la aerodinámica es una actividad digamos de “vista”; incluso en equipos de alta competición, creen que diseñar cierto elemento aerodinámico, es simplemente ver y observar con “detenimiento” la estructura del coche, y como por arte de magia, te venga a la cabeza cuáles son las dimensiones y posición del apéndice o estructura aerodinámica que pretendes estudiar y colocar; es como si el hecho de observarlo atentamente, diese la capacidad extrasensorial de calcular mentalmente, de resolver ecuaciones complejas y sistemas sin ordenador alguno, etc. Todo diseño o actividad, como en este caso, conlleva un proceso, que no es posible omitir ni saltarse: una simulación CFD no es posible realizarla, si no se tiene el modelo del coche en formato CAD apto para el software CFD, por ejemplo. En posteriores artículos, veremos esto con más atención, haciendo hincapié en el propio proceso, por ejemplo, de una simulación CFD, o de un ensayo, bien en túnel de viento, bien en circuito. Las cosas se empiezan siempre, desde el principio, y desde estas líneas, así lo vamos a hacer.

Definiciones y Propiedades del aire Partiendo desde esta última premisa o condición, empezaremos definiendo y analizando, las distintas propiedades del aire, puesto que el aire, es el fluido donde nos vamos a mover; de todas formas, las propiedades son extensibles automáticamente, a todos los fluidos, en general.

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. De todas formas, más adelante veremos que esto, no es exactamente así.

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.

Otras:

Existen otras propiedades de los fluidos, como la tensión superficial por ejemplo, pero son menos importantes y poco decisorias en el diseño de un coche de competición. Leyes de la Aerodinámica:

Una vez hemos visto 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 (seguro que la recordaremos) 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....).

Efectos

Venturi / Bernouilli:

Prácticamente ya lo hemos definido; sabemos que existen 3 tipos de energía; la potencial (por cota o altura), la cinética (por velocidad) y la de presión; al tener que conservarse, en todo proceso, la cantidad total de energía, la suma de las 3 energías, ha de permanecer constante. Esa es la ecuación o principio de Bernouilli; de esta forma, si la presión aumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa; esto es algo, que todos hemos oído en alguna ocasión: que la presión es inversa a la velocidad.



El efecto Venturi, también es una consecuencia directa: fenómeno por donde pasa el aire, hay un cambio de sección, por ejemplo de mayor a menor, la cantidad de aire que entra ha de ser la misma que la que sale (cosa lógica por otra parte), con lo que por la sección mayor, la velocidad del aire será menor que la velocidad del mismo aire al pasar por la sección menor. Esto es el efecto Venturi: al aumentar la velocidad, la presión disminuye y viceversa.

Bajo este principio, podemos entender y comprender la sustentación de un ala cualquiera (o perfil aerodinámico en general):




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.




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.Coanda:

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.



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.


Cuando hemos visto el fenómeno de la sustentación, podíamos apreciar que el aire se pega sobre la superficie, observando también el efecto Coanda sobre ella.


Hemos intentado, como siempre vamos a hacer, dar una visión general, de las propiedades y características que todo fluido tiene, así como las leyes o principios que rigen y marcan cualquier dinámica, en nuestro caso la aerodinámica.

Hemos intentado desarrollar y explicar todos los términos de una forma sencilla y clara, sin ecuaciones matemáticas, si bien es cierto, que en posteriores artículos, necesitaremos utilizarlas para poder cuantificar.

Estamos seguros que más de un lector, pensará que nos hemos olvidado incluso de algún parámetro o propiedad, o quizás piense que nos hemos dejado algún principio importante; pues no; todo el mundo piensa, y no le falta razón en absoluto, que la aerodinámica y el diseño en particular, es algo complicado, arduo y difícil, y en realidad es así, pero ello no implica que se pueda definir de una forma sencilla y clara, tal y como lo hemos hecho desde estas líneas.

Cuantas menos y más simples sean las fuerzas primarias que gestionan o describen un fenómeno, más desorden y caos con respecto al tiempo y también al espacio, existirá: por ejemplo, es más sencillo predecir la evolución de la bolsa, que la evolución o dinámica de un fluido, las variaciones de un péndulo o simplemente dónde puede caer una piedra lanzada por nosotros. Pero también: cuanto más fácil nos parezca un problema, tanto más difícil nos será encontrar su fundamento, leyes e interdependencia entre factores, y tanto más difícil simular su evolución en el tiempo. Sin caos, no hay evolución, vida o cambio de ningún tipo.

Esto nos lleva al enunciado de una nueva visión del caos: cuanto más impredecible sea y más difícil sea la resolución de un problema o un fenómeno, tanto más sencillos y simples serán sus fundamentos y las leyes que lo rigen.

Esta es la esencia de la Aerodinámica: es extremadamente compleja, luego por lo tanto y así lo es, las leyes son simples y escasas.

En el próximo artículo, analizaremos las formas aerodinámicas principales, el porqué de ellas y sus distintas aplicaciones en un coche de Fórmula 1.

Timoteo Briet Blanes

TheF-1

Una vez ya hemos visto los métodos utilizables para aumentar la velocidad o reducir la resistencia aerodinámica, es conveniente conocer los métodos existentes para que el paso por curva, sea lo más rápido posible.

Introducción:

Todos hemos hecho la prueba de sacar la mano por la ventanilla cuando el coche está en marcha; según la posición en que la ponemos, notaremos cierta fuerza que nos empuja la mano hacia abajo; nuestra mano, entonces, actúa como un alerón; el objetivo de este artículo, no es más que optimizar la forma y posición de la mano.

El tiempo de paso por curva, se ha convertido en uno, si no el que más, de los factores más importantes y transcendentales en toda carrera; evidentemente, la velocidad máxima es crucial, pero lo es más el tiempo de paso por curva, y es ahí donde se gana muchas carreras; hoy en día esto es básico, tal y como ha evolucionado el mundo de la competición, sobre todo en Fórmula 1 y todas sus exigencias.

La herramienta básica usada para aumentar la Down Force, es el alerón; se trata de una superficie que genera una fuerza hacia abajo, la cual, es la encargada de “pegar” el coche al asfalto, o en resumidas cuentas, hacer que pese más, con la misma masa.

Existen más métodos, que veremos y analizaremos en posteriores artículos, como el efecto suelo o la forma general del propio coche de competición.

Sustentación:

Ya hemos visto que la fuerza de sustentación se crea a partir de la diferencia de velocidades o presiones entre el extradós y el intradós de una superficie:


A su vez, esta sustentación, provoca un momento (una fuerza rotatoria de la superficie), la cual, hay que considerar a la hora, por ejemplo, de diseñar los amarres de los alerones, y también a la hora de diseñar el coche en conjunto.

Veamos algunas definiciones: llamamos envergadura a la longitud (sentido transversal de la marcha) de la superficie o alerón; llamamos cuerda, a su anchura; llamamos espesor, al espesor máximo del perfil.


Por otra parte, ya sabemos cuantificar la fuerza Down Force, que ejerce el alerón, en función del ángulo de incidencia que posea con respecto al sentido del movimiento:

Notemos una cosa muy importante: el hecho de existir sustentación, radica en que el aire que circula a mayor velocidad, está “pegado” a la superficie; si el ángulo de incidencia es demasiado grande, el aire se “despega” de la superficie, cayendo la fuerza de sustentación; esto ya lo vimos; evidentemente, si queremos alcanzar grandes fuerzas de sustentación con un mismo alerón, hemos de colocarlo con un gran ángulo de ataque o de incidencia; para poder alcanzar grandes valores de incidencia, hemos de intentar que el aire no se desprenda de la superficie, pues en caso contrario, no sólo no estaremos aumentando la sustentación, si no que además estaremos aumentando de manera muy considerable y apreciable, la resistencia.


Para impedir el desprendimiento del aire, podemos aumentar la velocidad en la zona conflictiva, a partir de la colocación de otra superficie:


Por la zona que queda entre las 2 placas, el aire alcanza mucha velocidad, haciendo que el aire que circula por debajo de la placa principal o inferior, permanezca adherido a ella. Con ello, conseguimos altos ángulos de incidencia y por tanto, altos valores de fuerza de sustentación (en este caso, de Down Force). En el estudio y análisis del tipo de perfiles, las distancias entre ellos y demás, radica una buena investigación (CFD, Túnel de Viento o Telemetría en ensayo real), estudio y por tanto, eficiencia.

Tipos de alerones:

Existen muchos tipos de alerones clasificable básicamente, en función del número de superficies que tengan, si bien es verdad que es posible clasificarlos en función de otros parámetros. Alerón de 2 superficies: Se trata de una mejora del anterior modelo, perfilando adecuadamente los perfiles, para optimizar por tanto, su eficiencia (no creando o disminuyendo la resistencia inducida):


La eficiencia de dicho sistema, es evidente:


En este caso, el aire que pasa por debajo el segundo perfil, también tiende a separarse de él, con lo que la sustentación disminuye a altos grados de incidencia; para corregir esto, utilizamos los alerones de 3 elementos:


Extendiendo el razonamiento, obtenemos los de 4 elementos:

Como curiosidad, fijarse que la última superficie, puede incluso llegar a ángulos mayores de 90ª ¡¡¡¡; cosa impensable en un primer momento claro....



Para calcular y conocer cuál es el “CL” de cierto sistema de alerones, podemos utilizar, bien un Túnel de Viento, incluso de pequeñas dimensiones, bien la realidad colocándolo en el coche y ensayándolo con la telemetría adecuada claro, o bien incluso, que es la opción más sencilla y rápida, ensayándolo virtualmente mediante un software especial de CFD.

Pantallas de extremidad        ado un alerón, hemos visto que sobre el extradós, se produce una baja presión; evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula esta zona, se introduzca en ella, para aumentar la presión:


Podemos observar los vórtices de extremidad dibujados, en los días de alta humedad; son preciosos de observar; no debéis perdéroslo.


Esta circulación de aire, hace que lo que se suponía que generaba sustentación negativa (que era justamente esta depresión) o deja de existir o disminuye drásticamente; para evitar tal efecto, se colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que impiden esta circulación no deseada de aire desde las zonas de alta presión, hasta las zonas de baja presión. Algunos aviones, suelen tener esta pantallas también sobre todo, si la envergadura es corta, cosa que no pasa si la envergadura es grande.


Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de tamaño, de esta pantallas, radica el truco; no es necesario que el diseño de dichas placas sea cuadrado o rectangular, por ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga más falta su presencia, sean más grandes.

Flap Gurney:



Existe un método “extra” para aumentar la sustentación de una superficie; se trata del denominado Flap Gurney; se trata de una placa de pequeñas dimensiones (1 cm más o menos) colocado perpendicularmente al perfil; ello provoca, aproximadamente, un 20% más de sustentación; de todas formas, ello depende de múltiples factores, y es necesario también, diseñarlo correcta y adecuadamente con respecto al conjunto:


Este flap, hace que el aire que pasa por el extradós, no se despegue antes de lo debido, con lo que la sustentación aumenta, además de aumentar por impacto directo del aire.

Inyección / Succión de aire:

Supongamos una superficie plana con cierto ángulo de incidencia con respecto al sentido del movimiento; esta superficie, tendrá una determinada fuerza de sustentación; si el ángulo es demasiado grande, la sustentación decrecerá; para ello, ya lo vimos, el aire que circula por el extradós, ha de permanecer adherido a la superficie; una de las formas, que algunos aviones usan, es la de succionar aire, a través de una serie de orificios:


Podemos de igual forma, unir todos los orificios mediante una ranura de succión. De forma análoga, podemos colocar unos orificios o ranura, en el borde de ataque y sobre el intradós, de forma, que se inyecte aire a gran velocidad; ello retrasa la separación de la capa límite laminar a turbulenta, con lo que la resistencia disminuye.

Otros métodos:

El tema de los alerones, es un tema muy complicado, en el que existen diversas soluciones, algunas muy curiosas; algunos aviones poseen trozos de papel de lija colocados estratégicamente, sobre el ala, de forma que la capa límite laminar se desprende más tarde de lo debido o normal; algo parecido a los agujeros de una pelota de golf; incluso, en algunos coches de competición, como ya veremos en su momento, poseen recubrimientos (a modo de pintura por ejemplo), rugosos o al menos, más rugosos de lo que se podría pensar; el objetivo puede ser triple: retrasar la separación de la capa límite laminar, mantener adherido el aire a la superficie o desacelerar cierto flujo de aire; podemos colocar pintura “rugosa” sobre el intradós de los alerones, por ejemplo....

Otro método que podemos pensar, es inyectar aire a través del borde de fuga, con un ángulo determinado, de forma que ayude a adherirse el aire que circula por el extradós; este aire, puede ser recogido por algún sistema colocado en los soportes del sistema de alerones. Métodos hay muchos, pero es necesario estudiarlos en profundidad; recordar simplemente, que la sustentación provoca también resistencia....

Sujeción de un alerón:

Hemos visto que dada la peculiar forma de un alerón, la fuerza total de sustentación (el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de presión) y de resistencia (inseparables), provoca una fuerza de rotación del alerón; es necesario tener en cuenta esta fuerza y dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buen sistema de anclaje de los alerones; de esta forma, nos evitamos problemas de rotura por una mala fijación, y esfuerzos extras en los mismos alerones, que también pueden desembocar en una rotura del mismo.


Diseño de un alerón:

Para diseñar un alerón, exclusivamente desde el punto de vista de la fuerza a ejercer, hemos de tener en cuenta: “B” que es la distancia entre el centro de presión del alerón trasero y el “CG” centro de gravedad del coche, “a” la distancia entre el mismo “CG” y el centro de presión del alerón delantero. Vamos a suponer que ninguno otro componente del coche, cosa que no es así nunca, no posee fuerza alguna de sustentación; supondremos además que la fuerza de resistencia no afecta al diseño, cosa que tampoco es real.

Conocer el centro de presión, implica tener catalogado perfectamente el sistema de alerones y conocer en profundidad, cómo actúa en función de la velocidad, ángulo de incidencia, densidad del aire, etc. Sea “FT” la down force ejercida por el alerón trasero y “FD” la ejercida por el alerón delantero.

En un primer lugar, para que la estabilidad en recta se mantenga, FT*B = FD*a . Ambos productos han de ser iguales para conseguir el objetivo de estabilidad.

Si por ejemplo observamos que el coche tiene tendencia al sobreviraje (gira más de lo debido) hemos de quitar peso a la popa o poner peso a la proa (reducir la down force del alerón trasero o aumentar la misma en el alerón delantero). Hacemos el caso contrario si el coche posee una tendencia al subviraje. Notar que si hacemos esto, la relación matemática anterior no se cumple....

En función de los neumáticos elegidos, necesitaremos cierta down force para hacer que los neumáticos traseros y delanteros tengan la suficiente fuerza de agarre; esta down force vendrá generada por los alerones. De esta forma, podemos variar “al máximo” y apurar los pasos por curva, haciendo que el agarre sea máximo en curva para reducir el tiempo de paso; lógicamente también, hay que tener en cuenta el desgaste de los neumáticos, cosa que complica más si cabe, el asunto. Como podemos imaginar, en curva las actuaciones del coche cambian, y hemos de tener en cuenta todos los aspectos, no las simplificaciones o suposiciones que hemos hecho, para diseñar unos alerones adecuadamente; otro factor muy importante es la relación entre el sistema de alerones de proa y el de popa; es necesario saber si variamos o modificamos el alerón de proa, por ejemplo, “cuánto” debemos modificar el de popa.

Conclusiones:

Hemos visto un poco de teoría sobre alerones, pero sin ver de momento, sus aplicaciones; en posteriores artículos, analizaremos pormenorizadamente, los alerones traseros, los delanteros, sus aplicaciones, objetivos, diseños y sus cálculos.

Tener en cuenta también, que existen muchas otras partes del coche que poseen down force y resistencia: pontones, refrigeración, el propio cuerpo del coche, etc....


TheF-1

Es de gran ayuda conocer software de adquisición y almacenamiento de datos, como lo es conocer software gratuito para comenzar en esta faceta de la competición tan importante. Pero quizás es mucho más importante el saber analizar y obtener conclusiones de los datos adquiridos. En este artículo trataré de analizar simplificadamente como se analiza el balance dinámico del coche, mediante los datos ya adquiridos, y de esta forma, poder saber si el coche tendrá una tendencia sobreviradora o subviradora, para poder corregirla.

En primer lugar decir que dependiendo del tipo de prueba o ensayo que esté realizando, el análisis es diferente:

    * Puedo necesitar determinar si el coche subvira, por ejemplo.
    * Necesito tener un mapa general de la dinámica del coche (actuaciones "generales").
    * Necesito conocer, por ejemplo, si el motor funciona correctamente, dentro de los parámetros normales de funcionamiento del mismo.



También además, dependiendo si estoy en circuito o en una carrera o test en carretera, el análisis también es diferente:

    * En carretera:
          o Los datos son más dispares.
          o Lo que realmente se pretende es que las reacciones sean "suaves".
          o Es muy complicado realizar un análisis o mejor dicho, obtener unas conclusiones "generales".


    * En circuito:
          o Los datos son menos dispares y más uniformes, vuelta a vuelta.
          o Se puede precisar la dinámica o comportamiento del coche, mucho más que en carretera.


Vamos a ver cómo ser "observa o analiza" el balance o equilibrio del coche.

Cuando hablo del equilibrio del vehículo me refiero al balance que presenta entre sobreviraje y subviraje.

A modo de introducción general, diré que es necesario y conveniente empezar por hacer caso y escuchar (no oír) al piloto, puede dar pautas o reacciones muy interesantes del coche.

También diré que es mucho más fácil determinar si el coche sobrevira, ya que el subviraje es una actuación, digamos "estable". Esto es importante.


Una vez conozcamos la tendencia del monoplaza, podemos actuar de diversas formas:

    * En caso de tendencia sobreviradora, mediante el giro del volante por parte del piloto y la posición del acelerador, puedo conocer muchas cosas:
          o El piloto ha de reducir el giro del volante, para así, evitar un trompo. Esto es básico el poder verlo en las gráficas.
          o El piloto no puede generar el 100% de la presión sobre el pedal del acelerador; sólo lo consigue si disminuye la aceleración lateral.
    * En caso de tendencia subviradora, mediante el giro del volante por parte del piloto y la posición del acelerador, puedo conocer muchas cosas:
          o Podré observar un aumento del giro del volante, sin aumentar la aceleración lateral.
          o Si el piloto pisa el acelerador, dejará de aplicarle fuerza instantáneamente (reacción humana pues siente algo raro), pues el coche tiende a subvirar.


Y estas son unas razonables y sencillas pautas para estimas si el coche tenderá a sobrevirar o a subvirar.

Por Timoteo Briet Blanes para TheF1.com
Ingeniero aerodinámico TecnicaF1.com

Ferrari es la más innovadora y se desmarca del resto
¿Que gas utilizan los F1 en sus neumáticos?



En este pequeño artículotécnico vamos a tratar de explicar a todos los aficionados al mundo del motor, que compuestos utilizan los equipos de la Fórmula 1, para hinchar los neumáticos de sus monoplazas.

Normalmente se utiliza una mezcla de gas comprimido (78% Nitrógeno, 21% Oxígeno, 1% Otros), con un porcentaje de humedad desconocido. Las ventajas de esta mezcla son las que paso a enumerar a continuación:

    * Menor variación de la presión con la temperatura.
    * Temperatura de trabajo menor.
    * Menor ruido de rodadura.
    * Reducción del consumo.
    * Aumenta la seguridad, ya que existe menor riesgo de explosión (en aviones sólo se utiliza nitrógeno).
    * Se reduce la oxidación de la llantas.




Gracias al "famoso espionaje" de McLaren a Ferrari que el año pasado sobrevoló la Fórmula 1, ha llegado a transcender una de las innovaciones del equipo de Maranello. El equipo italiano no utiliza la mezcla de gas "habitual", de la cual hemos enumerado sus ventajas respecto al aire atmosférico. Y como es habitual en Ferrari, han dado una vuelta de tuerca más. Los neumáticos del F60 contienen un gas llamado HFC o Hidrofluorocarbono, un gas similar al usado en sistemas de aire acondicionado




Este gas contiene un 52% de tetrafluoroetano, un 44% de pentafluoretano y un 4% de trifluoroetano. Esta mezcla es conocida como GFC 404A. Los gases tipo HFC tienen la propiedad de conducir la rotación por convección del calor generado durante la rotación del neumático a la llanta a una presión casi uniforme. La llanta actúa como radiador, disipando el calor. Resulta especialmente eficaz en llantas de aleación ligera utilizadas en la F1, de aluminio y magnesio, evitando el sobrecalentamiento del neumático.

Las ventajas más destacables del uso de HFC son:

    * Durabilidad del neumático más elevada.
    * Temperatura del neumático casi constante.
    * Posibilidad de usar compuestos de goma más blandos.
    * Beneficios en carreras de larga duración como NASAR o Le Mans.


SOBRE EL AUTOR

Timoteo Briet Blanes
Ingeniero Aerodinámico y Licenciado en Matemáticas
TecnicaF1.com

Hasta 2008 Red Bull no era muy respetado en el paddock, pero la transformación de 2009 con el RB5 le ha consagrado la presente temporada como el equipo a batir. Christian Horner, patrón de la escudería, se ha erigido como el justiciero de la Fórmula 1, a través de una serie de declaraciones en las últimas semanas que le sitúan a el y su equipo al máximo nivel, demostrando que juega definitivamente en la liga de los grandes.

Horner, consciente de haber merecido ganar los dos campeonatos el año pasado, se ha lanzado en una cruzada contra todo aquello que pueda hacer repetir el episodio de los difusores. Cuando apenas ha comenzado el mundial, la polémica de los alerones que “colapsan” de McLaren escuece a los grandes a pesar del visto bueno de la FIA.

Si bien el sistema no presenta los beneficios y diferencias de los dobles difusores, eliminan parte del “drag” (resistencia aerodinámica al avance) que aumenta con el cuadrado de la velocidad.

Pero, ¿cómo funciona el sistema McLaren?

Aparentemente es una combinación de elementos que interaccionan entre si, haciendo “desaparecer” el alerón trasero (eliminando la resistencia aerodinámica en las rectas) a través del aire que desde la toma de admisión del motor se canaliza por la “aleta de tiburón” hasta el ala posterior. Este flujo de aire a alta velocidad que discurre por el canal interior de la carrocería al llegar al alerón reduce el campo de depresión, disminuyendo la resistencia al avance y aumentando la velocidad (de momento entre 6 a 9 Km/h).

Por primera vez, la toma de aire del motor (airscope) interactúa con el ala posterior, a través de un doble canal en el interior de la carrocería. Es más existe un tercer túnel interno que desemboca sobre el perfil inferior del alerón, donde se expulsa el aire canalizado procedente del radiador de aceite reubicado este año sobre la caja de cambios.

¿Podrán copiar los equipos la solución McLaren?

Esta parte de la solución es relativamente fácil de copiar, basta con gastar más dinero y algunas de las preciosas horas de túnel del viento que la FIA raciona.

Donde ya no es tan sencillo copiar es en el presunto cuarto canal de flujo de aire, que aprovecha un orificio de ventilación en la interior del chasis, donde existiría una abertura que el piloto puede “abrir” y “cerrar” con tan solo apoyar su rodilla en las rectas, modificando de esta forma la eficiencia del alerón trasero.

Puesto que el piloto no es considerado un “elemento” de los monoplazas, McLaren se saltaría a la torera la prohibición de usar elementos móviles y contaría con tres canales de aire que actúan de forma combinada sobre el alerón trasero.

La clave consiste en la homologación de los chasis, que se realiza en el GP de Bahrain, con lo que nadie podrá copiar el cuarto túnel hasta la próxima temporada. El mismo truco que ha empleado Ferrari con sus llantas efecto tapacubos.

La polémica está servida y la temporada acaba de empezar...


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