Aerodinámica

¿Qué es?

La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que actúan sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento entre el cuerpo y los fluidos (en el caso de la aerodinámica son gases los fluidos).

Movimiento de los gases



¿Qué es la mecánica de fluidos?

Los fluidos tienen la propiedad de la elasticidad, propiedad que tienen los cuerpos para cambiar de forma cuando se les aplica una fuerza y después retornar a su estado inicial cuando esta fuerza deja de actuar sobre él.

La importancia de la aerodinámica en la fórmula 1:

La aerodinámica es la pieza clave en la actual fórmula 1. Su función principal es mantener el coche enganchado al suelo (downforce) y minimizar las turbulencias que impiden el avance del coche (drag).
Un fórmula 1 tiene un drag altísimo, más que los coches de calle. Este drag es producido por las ruedas (que están situadas a fuera), alerones...
Pero estos elementos ayudan a aumentar el downforce para que el coche se mantenga en el suelo en las curvas cuando va a gran velocidad.


Bernoulli, Venturi y Coanda

En la fórmula 1 se ponen en práctica muchos principios de los fluidos y gases para lograr el mayor agarre y disminuir las turbulencias y mantener el coche pegado al suelo.


Bernoulli:

El principio más importante y básico en la fórmula uno es el de Bernoulli, que mantiene el monoplaza en el suelo a pesar de las altas velocidades. Este principio se puede utilizar de diferentes maneras: para mantener en el aire un objeto (como es el caso del avión) o para mantenerlo al suelo (coches de F1):

El principio de Bernoulli explica que la presión depende de la velocidad de los fluidos, si un gas pasa rápidamente por una superficie, hay menos presión.

Pongamos el ejemplo de una ala de un avión, que tiene la parte de abajo plana y la de arriba curvada. Cuando el aire se divide debido a la ala, el que va por arriba tiene mayor recorrido que el de abajo, y para poder conectarse con el mismo que va por abajo ha de ir más rápido. Y si tiene más velocidad, tendrá menos presión y significará que hay más presión abajo que arriba y por eso el avión se sustenta.

Ala de un avión

En el caso de los fórmula 1, tienen las alas al revés que en los aviones: planas por arriba y curvadas por abajo, entonces hay más presión arriba que abajo y hace que aumente el downforce y se enganche más al suelo.

Efecto Coanda en la F1:

¿Qué es el efecto Coanda?

Henri Coanda era un físico checo del siglo XX que descubrió el fenómeno físico que se produce en la mecánica de fluidos a partir del cual una corriente de fluido (líquido o gas) tiende a ser atraída por una superficie cercana a su trayectoria. 

Se puede ver como el agua sigue la superfície de la cuchara






Utilización en la F1:

El efecto Coanda se ha empezado a utilizar en el automovilismo a partir de 2012, debido al cambio de las reglas con la prohibición del difusor soplado. Los equipos han buscado nuevas formas para seguir utilizando los gases de escape para un beneficio aerodinámico. El objetivo de los equipos es dirigir los gases a la zona entre la rueda trasera y el difusor.

Gracias a la velocidad de estos gases, el difusor aumenta su capacidad de succión y de esta manera aumenta la velocidad del aire que pasa por debajo del coche y así se consigue más downforce y que el coche se mantenga pegado al suelo. Esto beneficia mucho al coche en las curvas rápidas ya que el gas dirigido a la zona entre la rueda y el difusor va más rápido y se consigue que este más enganchado al asfalto el monoplaza y así se consigan velocidades más altas en las curvas rápidas.



El chasis del RB8 ayuda a enviar los flujos de aire a la zona deseada


Venturi:

El efecto Venturi lo descubrió Giovanni Battista Venturi (1746-1822) en el año 1797. Consiste en que cuando canaliza un fluido, y ese canal es más estrecho que por el que fluía anteriormente, entonces pasa a mayor velocidad y así mismo disminuye la presión produciéndose una succión. Tiene mucho que ver con la ecuación de Bernoulli.

La ecuación es la siguiente:


En un tubo donde todo el rato es la misma altura U1=U2=0

Entonces tenemos que las únicas variables de esta ecuación son la velocidad y la presión, lo demás es constante.

Por lo tanto la velocidad y la presión son inversamente proporcionales, si aumenta una, la otra disminuye y viceversa.

En la Fórmula 1 por eso siempre se intenta que el aire que pasa por debajo del coche lo haga lo más rápido posible, para que así la presión que hay debajo del coche se la mínima y por lo tanto el coche se mantenga en el suelo lo más pegado posible.


Fondo Plano:

Están moldeados por una única pieza de fibra de carbono. Y su función es hacer pasar el aire lo más rápido posible para que haya la presión más pequeña posible y así se mantenga en el suelo.
Aparte de lo que es exteriormente tiene funciones para el interior del coche, haciendo de suelo para el piloto y para el motor. Es muy fácil desmontarlo.

El fondo plano esta inclinado de manera que la parte delantera toca más el suelo y la trasera está más levantada así se consigue que el viento suba y el coche se mantiene bajo. Esto da carga aerodinámica al fórmula 1 para mantenerse en el suelo.
La parte delantera está casi siempre tocando el suelo y esto es gracias a que es flexible.
Esta parte se llama divisor o splitter, y están creados por la norma de la FIA que indica que el fondo plano tiene que llegar hasta las ruedas delanteras.

Una de las partes del fondo plano es la cresta que ha en la parte central, que es una de las partes más bajas del coche, se introdujo a partir del 1994 a causa del accidente mortal del campeón del mundo y uno de los mejores corredores de la historia, Ayrton Senna.
Se introdujo porque entonces con el fondo plano, cuando en medio de una carrera este tocaba el asfalto, se perdía de golpe el efecto suelo de golpe ya que el aire dejaba de fluir.

La cresta del fondo plano, a menudo toca el suelo


Es probablemente el elemento aerodinámico más importante.

El reglamento obliga al que la parte del coche sea plano, no deja darle ninguna forma. Las ventajas se producen con todo lo que se hace arriba del fondo plano y sirve para que funcione el fondo plano que es intocable debido a la normativa de la FIA.

La mayoría de las ventajas del fondo plano se aprovechan gracias a las aletas y labios que luego hay encima: en el chasis.

Difusor:


Es la sección que esta inclinada del fondo plano en parte trasera del fórmula 1.
Es una rampa que empieza en el eje de las ruedas traseras y sube hasta una altura máxima haciendo una depresión debajo. Está formado por una sola pieza.
Cuanto más grande es más potencial puede aportar en el apoyo aerodinámico pero las normas de la FIA restringen mucho su tamaño. El limite está en una altura de 12,5 cm, 100 cm de ancho y 35 cm de profundidad.


El doble difusor del 2009 de Toyota medía 175 mm de alto



Es una pieza clave para logar un mayor agarre en las curvas. De el depende casi toda la carga aerodinámica en la parte trasera del monoplaza. Es la pieza que permite al fórmula 1 engancharse al asfalto haciendo una especie de vacío, creando así el efecto suelo. Y evitando así derrapar en las curvas e ir más rápido.
Su principal virtud es que crea un gran apoyo aerodinámico sin apenas resistencia al aire. Su diseño es muy importante ya que cuanto más rápido pueda salir el aire del coche, más downforce se produce.
Ofrece un 25% de la fuerza total de agarre.


El doble difusor del Brawn marcó diferencias en 2009

Todos los equipos intentan enviar el máximo aire posible a esta zona. La estructura misma del chasis esta diseñada para que envíe el mayor flujo de aire a esta zona. Toda la parte de arriba del fórmula 1 esta hecha para que la parte del difusor y fondo plano funcione mejor.
Los propios escapes envían los gases del motor a esta parte, que aportan mucha estabilidad en las rectas. Pero gracias al invento del escape soplado, se consigue que el motor siga enviando gases al difusor en las frenadas.
Los difusores soplado (los actuales que tienen el escape soplado) pueden afectar a los trapecios de suspensión de las ruedas traseras calentado demasiado las piezas de fibra de carbono, que es de los que están hechas. Por lo tanto se necesita una suspensión más alta. Además a veces se recubren estas piezas con una película de oro o un acabado de cerámica.

El escape soplado envía los gases del motor al difusor

Recorrido de los gases en los difusores soplados


Los gases que emite el motor no son pocos y por eso pueden tener gran importancia en la carga aerodinámica del coche enviándolos al difusor. En este vídeo de a continuación se ve claro.


El monoplaza de la imagen es el Lotus de 2011. Se puede apreciar como los gases salen a gran velocidad moviendo el agua del asfalto mojado del Gran Premio de Estambul.


DRS:

El DRS (Drag Reduction System) es una alerón móvil situado en la parte trasera del coche, fue incorporado en la temporada 2011. Se activa mediante un botón en el volante (a excepción del Ferrari, donde se acciona mediante el pedal), y el alerón se abre, permitiendo así disminuir la resistencia al viento, se reduce la carga aerodinámica y se aumenta la velocidad.

Fue introducido con el propósito de facilitar los adelantamientos

DRS abierto en la imagen superior y cerrado en la inferior del Redbull

La pérdida de carga aerodinámica no tiene consecuencia debido a que el DRS solo se puede habilitar en las rectas principales de los circuitos y estando a menos de 1 segundo del coche que esta delante. La carga aerodinámica solo es útil en las curvas.
Al utilizar el DRS el coche pierde downforce (enganche al suelo) pero a la vez pierde drag (resistencia al aire) que es lo que se intenta conseguir en las rectas, ya que si no fuese por el DRS, aunque la recta fuese muy larga no se superarían las velocidades debido a que el coche tiene tanto drag que no permite ir más rápido, pero el DRS lo disminuye un poco de manera que se puede incrementar en 10-15 km/h la velocidad en una recta.

Además el DRS no se puede utilizar hasta que transcurran 2-3 vueltas después de la salida. Y en caso de lluvia puede ser que la FIA decida que no se puede utilizar.


DRS abierto en el Lotus


Alerón Trasero:

El alerón trasero está presente en la Fórmula 1 desde los años 60. Sirve para producir carga aerodinámica sobre el coche. Entre el alerón delantero y el difusor sustentan la parte trasera del coche pegada al suelo gracias al downforce que producen. El principal inconveniente del alerón trasero es el drag que produce, tiene una gran resistencia aerodinámica en las rectas y hace que el monoplaza vaya más lento. Por lo tanto el alerón nos beneficia en las curvas, para ir más rápido.

El alerón trasero pesa unos 4 kg pero en las rectas a 300 km/h llega a producir unos 700 kg de carga aerodinámica. Su estructura es bastante simple y esta muy limitada por las reglas de la FIA. Debe medir 75 cm de ancho.
El ala trasera está estructurada por dos planos, uno inferior y otro superior. El inferior ha de ser solo un plano, mientras el superior solo puede tener 2 planos. La FIA impone tres nervios que han de haber en el alerón trasero para que eviten que los flaps del alerón trasero se junten, están situados dos en los laterales y uno en la parte central. Ya que si se cerrase por la flexión ayudaría a aumentar la velocidad en las rectas. Se puede ver esta parte donde señala la flecha en la imagen.

Dibujo de un alerón trasero, la flecha señala el nervio central


Los alerones traseros pueden cambiar de forma según en que circuito se este corriendo. Si es un circuito rápido como Monza (Italia) nos conviene que el alerón no nos de mucha resistencia al avance, por tanto seria más bajo, así se podrían alcanzar velocidades más altas en las rectas. Por lo contrario si estamos en un circuito lento como en el caso de Mónaco es mejor que el alerón este menos paralelo al suelo para que así produzca más carga aerodinámica.

Hay un elemento poco reconocible en el alerón trasero (también esta en el delantero) que se llama Gurney Flap, es un pequeño labio puesto en la parte por donde sale el aire, la posterior, y sirve para que el aire que pasa por debajo del alerón quede pegado a este así hay más apoyo aerodinámico y ofrece muy poco resistencia. Los Gurney Flaps están limitados a 20 mm de altura.

El Gurney Flap en un Ferrari



Alerón Delantero:

El alerón delantero es uno de los elementos más importantes de la F1 y que ya lleva un tiempo.
Van de lateral a lateral ocupando todo el ancho del monoplaza siendo 1,8 metros su medida por normativa. Su función es proporcionar la mayor parte del apoyo aerodinámico que se crea en las ruedas delanteras y distribuir el flujo de aire a las diferentes partes del coche donde queramos crear carga aerodinámica.
El alerón debe desviar el aire alrededor de los neumáticos delanteros.

Cada coche ha de tener su propio alerón en acorde al resto del coche, por eso un alerón de un RedBull no serviría en un Ferrari y viceversa.
El alerón delantero ayuda mucho a la estabilidad del coche, cuando el coche es fácil de conducir es gracias al alerón, si es difícil es su culpa ya que el alerón puede ofrecer más carga aerodinámica de la que se necesita y por eso se puede ajustar para que el piloto tenga el equilibrio deseado mediante poniendo unas pesas en la parte central del alerón para que así podamos poner más o menos carga y las ruedas puedan trabajar con su carga adecuada, varia según el circuito.

El alerón de McLaren es más complejo que el de Ferrari

Una propiedad que tienen los alerones delanteros de la Fórmula 1 son la flexibilidad. Los equipos crean alerones flexibles para que cuando el coche vaya a altas velocidades en las rectas, el alerón baje un poco más, aumente el efecto suelo y sean más eficaces. La FIA intenta controlar esto al máximo mediante pruebas que van haciendo a los equipos.

Los alerones para producir un buen efecto suelo en el coche, deben estar a una altura de unos 75 mm del asfalto. También se puede poner la parte delantera del coche más baja que la trasera para que así produzca más efecto suelo también.

Elementos que tienen los alerones:

Flaps: Solo hay una restricción respecto a los flaps, no se pueden poner en la parte central del alerón, por eso podemos verlos siempre en los laterales. Se colocan para generar apoyo dinámico y también para desviar el aire hacia la zona interesada, alrededor de las ruedas delanteras.

Deriva Lateral: Es el elemento que esta en los laterales del alerón delantero. Como en los alerones hay una presión muy baja en la parte inferior y una presión muy alta en la parte superior, se colocan unas aletas verticales en los extremos para evitar que el aire de alta presión pase a la parte inferior por el extremo del alerón.


Se puede observar la deriva lateral y los flaps en este alerón de Mercedes



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