Aerodinámica de un Fórmula 1

Esto presenta la FIA como modelo base



Alerón delantero.
Placas de Barcaza.
Aletas de cono.
Retrovisores.
Pontones.
Aletas de pontón.
Caja de aire.
Tapas de motor.
Escapes.
Alerón trasero.
Difusor.
Luz Trasera



Los alerones

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 (recordemos que estos términos vienen de la industria aeronáutica, donde 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.

Aleron delantero

El alerón delantero carga con el 33% de la fuerza hacia abajo total del coche (la mitad del grupo alerón), y al margen de lo dicho de forma general en el párrafo anterior, tiene la función añadida de enviar la corriente de aire a las ruedas de forma que no generen mucha resistencia, y alimentar en parte a los bajos. Otra función interesante que realiza el alerón delantero gracias a su forma, es la de deflectar aire hacia los frenos para mejorar su refrigeración. 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.



Las funciones del sistema de alerones delanteros, podemos clasificarlas en 5:

a) Generación de empuje vertical, o simplemente “empuje”.
b) Separar convenientemente el flujo de aire incidente en las ruedas delanteras.
c) Adecuar el flujo que pasa por debajo del suelo y a los pontones de refrigeración.
d) Adecuar el flujo al casco del piloto y a la toma de aire del motor.
e) Sellar el suelo, por métodos aerodinámicos.



Aleron trasero

Es otro elemento aerodinámico por excelencia, y tiene dos misiones fundamentales :

* Generar el máximo de empuje vertical con el mínimo arrastre y vibración.
* Crear una zona de baja presión debajo de el, o lo que es lo mismo, encima del difusor.

Fácil de decir, pero extremadamente difícil de conseguir. Sobre todo si se tiene en cuenta lo anteriormente explicado en multitud de zonas anteriores a esta, que el comportamiento exacto de este alerón depende de su propia constitución y de la calidad del aire incidente, es decir, de los elementos anteriores en el flujo de aire .

La normativa que se le aplica es de lo más estricto, flexión limitada, alturas limitadas, materiales limitados… (como para todo el coche en general), y es testado carrera tras carrera en todos los vehículos.






Los retrovisores

Por reglamento debe de haber 2 en cada coche, uno a cada lado del cockpit, han de tener unas dimensiones mínimas de 150 x 50mm con un radio máximo en las esquinas de 10mm.

Su posición queda al arbitrio de cada equipo, pero hay unas normas de colocación a cumplir.

Al estar el espejo en una posición tan alta del coche, su peso es un aspecto fundamental para tratar de mantener el centro de gravedad del coche lo más bajo posible, así como obviamente su diseño de la carcasa exterior, ya que es seriamente impactada por el flujo de aire.





Los bajos

Las normas de la FIA son bastante claras cuando prohiben un diseño de los bajos que haga venturis (una succión) y aumente la fuerza hacia al suelo. También es obligatorio que estén a cierta altura y que usen una plancha debajo del coche de tecnología no muy sofisticada (puede llegar a ser hasta de madera). Sin embargo, aún se da forma la zona para que combinado con la parte inferior del alerón trasero tengamos el 25% de la fuerza vertical total del coche.



El chasis

La forma de la cubierta trasera del motor viene dada por las ruedas traseras. Por un lado vemos como se estrecha para evitarlas y también para mantener el aire "pegado" al chasis (si el aire se desprendiera, surigiría una estela y la resistencia sería mucho mayor). La zona justo antes de las ruedas delanteras tiene unos deflectores para entregar el aire más alineado a las ruedas, y también llevan unos winglets para lo mismo que comentábamos ayer, reducir la resistencia inducida. Hay unas placas que "rompen" el flujo generando un punto de remanso en la zona superior y así consiguiendo parte de fuerza vertical. Los puntos de remanso son aquellos en los que la velocidad del aire es nula, y son de presión máxima. De ahí que si esa presión está por encima genera una fuerza hacia abajo.





Conductos y detalles

Pontones



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

Esa forma no es casual (como casi nada en la F1), se basa en una regla de 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.

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.

Como los aficionados del mundo del motor ya sabrán, los motores deben ser refrigerados para evitar el gripado, entre otras cosas. Una de estas funciones la suele llevar a cabo el aceite, pero del aceite hay que quitar también ese calor con aire. Quizá algún día veamos más en detalle este tipo de temas técnicos. De momento nos sirve saber que el aire debe entrar de la forma más homogénea y a relativamente alta presión hacia el radiador. Tiene cierta forma también de perfil aerodinámico para crear un poquito de fuerza vertical.

Admisión de aire al motor



Necesitamos que la entrada de aire al motor se sitúe encima del piloto para coger aire relativamente poco distorsionado y al que llegue el mínimo de calor del pavimento y el radiador. Además dirige el aire de forma que saquemos provecho del efecto "ram" (impacto) al frenar el aire súbitamente (aumenta la sección de paso del gasto de aire, es un difusor).

Tapa de 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 a parte (creo que se distingue en la foto la juntura de la tapa , el pontón y la caja de aire).

No suele llevar aditivos, pues no tiene puntos resistentes para la transmisión de fuerzas al cuerpo del vehículo, esporádicamente algún divisor de flujo o algún aletín de estabilización.

Escapes



Ya hemos hablado de la implicación de los gases de escape con los flujos de aire que manejamos a lo largo de esta zona trasera. Obviamente la dirección de salida está detalladamente calculada para no interferir de forma negativa.

Solo nos resta decir que las zonas del carenado susceptibles de recibir este flujo caliente, evidentemente están trabajados con otros materiales distintos de la fibra de carbono habitual para el resto del carenado.

Suspensiones



Hasta en esto se cuida el diseño expuesto al aire, para que veáis cómo algo tan aparentemente trivial para la configuración general aerodinámica del coche se cuida igual que otras partes. En vez de tener una sección transversal circular típica, se le da forma de perfil alar para minimizar la resistencia aerodinámica (bien diseñada reduce hasta 10 veces la resistencia de su equivalente circular).



Difusor



La última parte aerodinámica “vital” para el correcto funcionamiento de todas las partes anteriores. Su única función es facilitar lo máximo posible la salida del aire que circula por los bajos del coche, generándose así el efecto suelo de forma efectiva, ayudándose de la baja presión generada por el alerón trasero, lo que ayuda a sacar el aire de los bajos a través de este elemento.

Su tamaño está estrictamente regulado por el reglamento, pero su geometría interna queda prácticamente entera a la discreción del diseñador/fabricante.

Luz trasera



Importante por indicar cuando un piloto está corriendo con neumáticos de agua, y también para que se le vea donde está el coche tras la niebla o la cortina de agua que levanta al rodar.

Montada sobre el extremo de la estructura de choque, y hábilmente usado para incorporar otro pequeño empuje vertical (pero con el efecto palanca …).

Solo en el caso de que un piloto novato (no oficial) salga a pista, el color de la luz será verde (si no usa neumáticos de lluvia o intermedios), en los demás de los casos será roja.



Investigacion

Las herramientas de investigación son dos: el tradicional experimento puro en un túnel de viento; y los novedosos "experimentos" computacionales o simulaciones basados en códigos CFD (Computational Fluid Dynamics).

CFD (Computational Fluid Dynamics)

Las herramientas CFD sirven para simular el comportamiento de un fluido en un dominio arbitrario dadas unas condiciones en el contorno (la velocidad del coche, la temperatura, la presión muy aguas arriba o lejos del coche). Se basan en algoritmos matemáticos que resuelven numéricamente las irresolubles analíticamente ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan la dinámica de fluidos (salvo casos muy muy simplificados). No vamos a ahondar más en ello, pero si a alguien le interesa puede buscar sobre el Método de los Volúmenes Finitos en los que se basan la mayoría de códigos.

Ventajas. Las ventajas de utilizar las simulaciones son evidentes: una inversión inicial muy por debajo de la necesaria para un túnel; mayor flexibilidad a la hora de realizar cualquier cambio en el modelo y, en general, mucho más económico.

Desventajas. La precisión es sin duda el aspecto más limitante de la CFD. Aunque hoy día se consiguen resultados asombrosamente cercanos a la realidad, las aproximaciones matemáticas no dejan de ser eso: aproximaciones que están intrínsecamente unidas a un error inevitable.



Experimento puro en túnel de viento

Los experimentos realizados en túnel de viento consisten en la fabricación de una maqueta del modelo que queremos evaluar en la que instalamos sensores de presión o anemómetros. Cuando el aire es proyectado contra la maqueta, estos anemómetros nos dan la indicación de la presión en ese punto, y tratando esos datos adeacuadamente podemos conocer las fuerzas que actúan sobre el coche.

Ventajas. Precisión completa. Sabemos las propiedades del aire en el punto que nos apetezca saber de forma real, sin ninguna aproximación porque las estamos midiendo directamente.

Desventajas. Del lado opuesto a la CFD, requiere una inversión en túnel de viento muy alta, además de tener que cambiar aspectos de la maqueta cada vez que queremos probar algo nuevo. En general, los ensayos requieren más horas de ingeniería que las simulaciones.






Hasta aca todos los elementos de aerodinamica de un F1, espero que les haya gustado.

FUENTE: http://www.f1aldia.com


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