Fórmula 1 y aerodinámica


Este fin de semana se ha iniciado el campeonato de Fórmula 1 2010. Cada vez los monoplazas son más sofisticados, sobretodo en el diseño, tienen unas líneas casi perfectas y una cantidad importante de elementos aerodinámicos. La explicación es que los equipos buscan la eficiencia energética, el mejorar los monoplazas mediante la aerodinámica. Una vez congelado el desarrollo de motores en la Fórmula 1, en principio hasta el 2013, la aerodinámica es la pieza clave en la efectividad de los coches de carreras actuales. No sólo es un método para poder ir más rápido en las rectas, que también, si no que es fundamental tanto en el paso por las curvas como en el frenado. Con la velocidad de los vehículos actuales es necesario aumentar la estabilidad y el agarre, con el mínimo perjuicio para la rapidez.

Para contrarrestar el problema de la sustentación, los coches de fórmula 1 están diseñados para producir sustentación negativa. Esto significa que al monoplaza se le agregan algunos dispositivos que causan que el coche presione contra el suelo y se mantenga más cerca de él. Estos dispositivos neutralizan la sustentación producida por el vehículo o crean de hecho sustentación negativa (fuerza que apunta hacia abajo).

Necesitamos conocer unos conceptos básicos de aerodinámica para entender como funciona un Fórmula 1

Se denomina aerodinámica a la ciencia del manejo de las corrientes de aire, aplicada a los coches de carreras para añadir adherencia o agarre a los mismos, con el objeto de lograr mayor velocidad y seguridad al piloto. Hay varios métodos que se utilizan para reducir la sustentación o para crear fuerza hacia abajo. Estos métodos incluyen interceptores aerodinámicos (spoilers) y efectos de tierra.

Los alerones delanteros y el trasero aumentan el apoyo aerodinámico y, por lo tanto, la velocidad en las curvas. Los mismos se ajustan a las características de cada circuito. En los circuitos rápidos, con largas rectas y pocas curvas, las alas son casi horizontales para reducir el apoyo aerodinámico y la resistencia al avance (se incrementa la velocidad máxima) en las rectas. En circuitos lentos, con pocas rectas y muchas curvas, las alas tienen mucha más inclinación, pues se sacrifica la velocidad máxima en función del agarre (y con él la velocidad) en las curvas, debido al aumento del apoyo aerodinámico

Se utilizan alas como las de un avión común y corriente en los monoplazas de Fórmula 1. Sin embargo, las alas se invierten (se colocan con la parte de arriba hacia abajo) para producir una fuerza hacia abajo en lugar de sustentación hacia arriba. Al instalar las alas cerca del suelo, se pueden producir cantidades más grandes de esta fuerza que apunta hacia abajo. Esto se debe al aumento de la velocidad del flujo entre el ala y el suelo. El aumento en la velocidad del flujo causa que la presión en la superficie inferior del ala disminuya, y que, por consiguiente, la fuerza hacia abajo aumente.

Otro de los dispositivos que se utilizan es el conocido como “strake”. Estos dispositivos se usan comúnmente en los aviones de alto rendimiento. En un avión, el “strake” produce sustentación. En un auto de carreras, la mayoría de las veces el “strake” es utilizado en combinación con una ala montada en la parte de atrás para aumentar la fuerza hacia abajo en la parte posterior del monoplaza.

Otro elemento son los canales debajo del chasis. Estos canales se extienden de la parte de enfrente a la parte de atrás. Conforme la velocidad del aire que corre a través de los canales aumenta, la presión disminuye. Si se permite que entre aire de los lados, se forma un vórtice muy fuerte. Este vórtice ayuda a estabilizar el flujo que corre por debajo de todo el vehículo. De esta forma, estos canales aumentan la fuerza hacia abajo y disminuyen la resistencia del aire del vehículo.

La fuerza hacia abajo tiene que estar bien distribuida entre la parte delantera y la parte trasera del coche. Si el monoplaza tuviera una carga más grande en la parte de enfrente que en la parte de atrás, no sería estable. Cuando la parte trasera tiene una carga más grande, el coche se estabiliza. El balance no deja de ser importante, porque si el monoplaza es demasiado estable, resulta difícil girar

Para los prototipos de carreras, el uso de un ala delantera crea diferentes problemas. El ala puede hacer que el flujo de aire se desvíe por encima del coche y se aleje de los canales de la parte de abajo del monoplaza. La fuerza hacia abajo en el eje trasero se reduce. Usando una superficie superior cóncava, los efectos de un ala delantera se pueden simular  sin tener que desviar el flujo de la parte de abajo del coche. Esto puede mejorar la distribución de la fuerza hacia abajo entre el eje delantero y el eje trasero.

Las llantas también crean resistencia aerodinámica en los coches que tienen las ruedas descubiertas. Esto se debe a la separación del flujo de aire detrás de los neumáticos. Se han utilizado varios artificios para tratar de disminuir esta resistencia. Generalmente se utiliza una simple placa para desviar el aire alrededor de la llanta, reduciendo así la separación del flujo.

Desde el punto de vista del espectador, un coche se puede considerar al menos como en  3 partes: el alerón delantero, la carrocería del coche y el alerón trasero. Cada una de las partes puede ser optimizada para la carga aerodinámica necesaria con un mínimo de resistencia. Sin embargo, cada componente tiene su influencia en el comportamiento del coche y no puede ser considerado como un componente individual. Como resultado de ello, ningún elemento se prueba individualmente, siempre se tiene un modelo a escala completa del monoplaza

Debido a que un coche de carreras completo es un sistema muy complejo, los equipos de ingenieros suelen evolucionar los coches, paso a paso. Se desarrolla  un elemento en particular y se comprueba su efecto en el monoplaza. Tal efecto total se puede calcular con la “Ley de Amdahl”. Establece que “la mejora obtenida en el rendimiento de un sistema debido a la alteración de uno de sus componentes está limitada por la fracción de tiempo que se utiliza dicho componente”.

f es la fracción de tiempo del sistema (cuando en esta fracción genera 5% de la resistencia del coche, a continuación, f es de 0,05) que pueden ser mejorados, Sf es el factor de mejora en esta fracción (división de la resistencia en Newtons y la fuerza de arrastre nueva después de la mejora de ese elemento), y la Seff es la mejora general que se logrará.

Después de verificar su mejora, la eficiencia del coche está determinada y, a continuación simulada en diferentes pistas para ver en donde es útil. Que la utilidad es siempre el resultado de una reducción de resistencia o un aumento de la carga aerodinámica.

Fuerza de rozamiento y coeficiente aerodinámico

La fuerza de  rozamiento es la fuerza aerodinámica que es opuesta a la velocidad de un objeto en movimiento a través del aire (o cualquier otro fluido). Su tamaño es proporcional a la diferencia de velocidad de entre el aire y el objeto sólido. Por lo tanto, carece de importancia si bien el aire es mueve alrededor de un objeto estático o si el objeto se mueve a una velocidad a través del aire estático.

El rozamiento viene en varias formas, siendo uno de ellos rozamiento por fricción que es el resultado de la fricción de las moléculas de sólidos en contra de las moléculas de aire en su entorno. La fricción y su resistencia dependen tanto del fluido como de las propiedades de los sólidos. Una superficie lisa del sólido, por ejemplo, produce menos fricción en la superficie frente a uno rugoso. Para el fluido, la fricción varía dependiendo  de su viscosidad y la magnitud relativa de la las fuerzas viscosas con el movimiento de la corriente, expresada como el número de Reynolds. A lo largo de una superficie sólida, el flujo de energía y la magnitud de la  fricción en la superficie depende de las condiciones de la capa límite.

Además, el rozamiento es una forma de resistencia del aire contra el sólido en movimiento. Esta forma de resistencia depende de la forma particular de un ala, tanto como de los flujos de aire alrededor de un cuerpo, la velocidad local y la presión.

El rozamiento de interferencia o la resistencia inducida por el contrario es el resultado de los vórtices que se generan por detrás del objeto sólido. Debido al cambio de dirección de aire alrededor del ala, se crea un vórtice cuando el flujo de aire encuentra sin cambios el flujo que llega recto por el otro flanco. El tamaño del vórtice, y por lo tanto su fuerza de arrastre aumenta con un ángulo de ataque cada vez mayor del ala. Como principal fuente de reducción de esta resistencia, los equipos de Fórmula Uno intentan contrarrestarla mediante la adición de placas en extremo de las alas

La cantidad de rozamiento que genera un determinado objeto en un flujo de aire se cuantifica en un coeficiente de rozamiento. Este coeficiente expresa la relación de la fuerza de rozamiento con  la fuerza producida por la presión dinámica de la zona. Por lo tanto, un Cd de 1 indica que todo el aire que fluye hacia el objeto se detuvo, mientras que un 0 teórico es corriente de aire limpio perfecta, sin rozamiento.

A velocidades relativamente altas, es decir, en el número de Reynolds (Re>1000), la fuerza de la resistencia aerodinámica se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

Donde Fd es la fuerza de rozamiento (en Newtons), ρ la densidad del aire, v la velocidad del objeto en relación con el líquido (en m / s), A la referencia de superficie y C el coeficiente de rozamiento. El signo menos y el vector ^v  indican que la fuerza de arrastre que resulta es opuesta al movimiento del objeto.

Carga aerodinámica

El Aerofoils en el deporte del motor se denomina a menudo a los alerones, en referencia a las alas de avión. De hecho son muy similares. La evolución de la aerodinámica como es ahora se debe sobre todo al genio y a la investigación de unos pocos científicos bien conocidos. En 1686, Sir Isaac Newton presentó sus tres leyes del movimiento, uno de ellos es la conservación de la energía. Afirmó que la energía es constante en un sistema cerrado, aunque se puede convertir de un tipo a otro. Fuera de esa teoría, Daniel Bernoulli dedujo una fórmula que demostraba que la energía total en un sistema de un fluido que fluye de manera constante es también constante a lo largo de la trayectoria del flujo. Un aumento en la velocidad de fluido por lo tanto debe ir acompañada de una disminución de su presión. Sumando los tiempos de variación de la presión el área alrededor de todo el cuerpo determina la fuerza aerodinámica en el cuerpo. Para una misma altura tenemos la ecuación de Bernoulli:

Una operación de velamen se puede explicar fácilmente si se considera un ala como de flujo laminar de aire constante. Cuando el aire es un gas, sus moléculas son libres de moverse y pueden tener una velocidad diferente en distintos lugares de la corriente de aire. Para la generación de carga aerodinámica los perfiles aerodinámicos son en su mayoría diseñados con más espesor en la parte inferior, el menor flujo de aire se reduce ligeramente en la superficie, por lo tanto, se produce un aumento de la velocidad de flujo y la disminución de la presión. En la parte superior del ala, la velocidad es menor, y por lo tanto la diferencia de presión va a generar una fuerza hacia abajo sobre el ala. Además, y en línea con la tercera ley de Newton del movimiento, las alas de la carga aerodinámica no son rectas y provocan un giro nuevo de la circulación de aire. Más específicamente, la forma del ala hace que el aire tienda a ir hacia arriba y cambiar su velocidad. Tal velocidad crea una fuerza neta sobre el cuerpo.

Esto demuestra que una fuerza F provoca un cambio en la velocidad V, O también, un cambio en la velocidad genera una fuerza. Hay que tener en cuenta que la velocidad es una unidad vectorial, con una velocidad y un componente de dirección. Por lo tanto, al cambio de cualquiera de estos componentes, debe imponer una fuerza. Y si bien la velocidad o la dirección de un flujo cambian, eso genera una fuerza.

La carga aerodinámica, se explica a menudo por el “tiempo de tránsito de igualdad” o teoría del “camino más largo”, afirmando que las partículas que se separaron antes del ala se unirán detrás de ella al mismo tiempo. Eso hace que el aire en el lado más largo del ala fluya mucho más rápido, aumentando aún más el efecto de carga aerodinámica.

Si bien estas versiones simplificadas son las bases de sustentación y la generación de carga aerodinámica, la realidad no puede ser simplificada y es un estudio complejo, que requiere equipo de sistemas de alta potencia. Para un gas, tenemos que al mismo tiempo se debe conservar la masa, la inercia y la energía en el flujo. La conservación simultánea de la masa, la inercia y la energía de un fluido  se llaman Ecuaciones de Euler. Las emulaciones que se hacen vía computadora utilizan algoritmos que se basan en estas ecuaciones para hacer una aproximación de la situación real.

Debido a la complejidad, la Fórmula 1 de hoy en día los coches están diseñados con CFD (dinámica de fluidos computacional) y CAD (diseño asistido por ordenador) que permite a los ingenieros diseñar un coche e, inmediatamente, simular el flujo de aire alrededor de él, la incorporación de parámetros ambientales, como la tracción, velocidad y dirección del viento, y mucho más.

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Publicado el 16 marzo 2010 en Ciencia y Tecnología y etiquetado en , , , , , . Guarda el enlace permanente. 3 comentarios.

  1. uaaaaa estoy realmente sorprendido por todo lo que lei de f1 la verdad soy un aficionado alas carreras a ca en el perù utilisamos una motocicleta combertido en motokar para las competencias y toy aberiguando todo sobre aerodinamica para colocarselo ami motokar para ganar esta competencia y alguien que lee este mensaje tiene alguna idea por favor avicenme .gracias estare muy agradecido chauuu cuidense mucho..

  2. Guilermo M Mendoza

    me gusto mucho tu documento y estoy muy interesado en lo relacionado con aerodinamica me llama mucho la atencion los diseños que utilizan los F1 para mejorar su desempeño aprovechando las corrientes de aire

  1. Pingback: Nueva novela de Dan Brown « Cajon Desastre

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