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Aerodinmica
La aerodinmica es aplicada tanto en la aeronatica como en el
automovilismoEl apartado de Aerodinmica abarca las siguientes
lecciones: 1.1.1. Introduccin a la Aerodinmica 1.1.2. Fundamentos
Bsicos de Aerodinmica 1.1.2.1. Propiedades de los Fluidos
1.1.2.1.1. Densidad 1.1.2.1.2. Presin 1.1.2.1.3. Viscosidad
1.1.2.1.4. Relaciones 1.1.2.2. Leyes o Principios de la Aerodinmica
1.1.2.2.1. Efecto Venturi 1.1.2.2.2. Efecto Capa Lmite 1.1.2.2.3.
Efecto Coanda 1.1.2.2.4. Drag 1.1.2.2.5. Efecto suelo 1.1.3. El
Alern
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1.1.4. Elementos de la aerodinmica 1.1.4.1. Alern 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 Admisin y Anclaje para Gra 1.1.4.6.
Pontones 1.1.4.7. Aletas de Pontn 1.1.4.8. Tapa Motor 1.1.4.9.
Alern trasero 1.1.4.10. Fondo Plano 1.1.4.11. Difusor 1.1.4.12. El
Casco 1.1.5. El Tnel de viento 1.1.6. El CFD 1.1.7. Novedades
Aerodinmicas 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 Alern Delantero 1.1.7.12. Variacin del ngulo de ataque del
Alern 1.1.7.13. Difusor Doble 1.1.7.14. Llantas Monotuerca
1.1.7.15. F- Duct 1.1.7.16. Toma de Admisin Doble 1.1.7.17. Difusor
Soplado por los Escapes 1.1.8. Nomenclaturas Tcnicas Aerodinmicas
1.1.9. Conclusiones
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Introduccin a la Aerodinmica
Comportamiento aerodinmico del flujo de aire al paso por un
monoplaza de F1Cuando uno considera la Aerodinmica tiende a pensar
en la Ingeniera Aeroespacial, es un hecho que la aerodinmica es una
rama de la Mecnica de Fluidos y que fue desarrollada coda a codo
con las aeronaves y que es una disciplina inconcebible sin las
mismas. Y efectivamente as es; uno puede exigirle a un ingeniero
aeroespacial un avanzado conocimiento en aerodinmica.No obstante,
cuando uno habla de aerodinmica debe ensanchar su mente y empezar a
considerar otros procesos o aspectos de las ciencias aplicadas que
requieren de estudios aerodinmicos. Estamos hablando de procesos a
altas velocidades. Con esa visin ampliada uno puede incluir casi
cualquier vehculo, especialmente automviles, edificios afectados
por el viento, transporte en conductos, procesos internos en
motores y un largo etctera. De este modo, rpidamente se nos ocurre
considerar la Frmula 1.Normalmente los coches de Frmula 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
fcilmente alcanzables en las rectas de algunos circuitos. Por
consiguiente, la media de velocidad de estos blidos no es inferior
a los 160 km/h. No hay duda entonces de que la aerodinmica juega en
este juego, un papel muy importante. Aunque parezca contradictorio
hicieron falta casi 20 aos para que los ingenieros de la Frmula 1
se dieran cuenta de la gran importancia que tena la aerodinmica.Por
ello, los principios que permiten volar a un avin son fcilmente
aplicables a un coche de carreras. La nica diferencia se encuentra
en la forma en la que el ala o alern est montado: justo al revs
produciendo downforce en vez de Sustentacin.
Fundamentos Bsicos de la Aerodinmica
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Recorrido del flujo de aire en todo automvilLa aerodinmica es la
parte de la mecnica de fluidos, que estudia el comportamiento del
aire, el fluido en cuestin, al paso por un cuerpo.Pero, qu es
exactamente un fluido?Un fluido es todo aquel material, que se
deforma de manera contigua ante una fuerza, no importa de qu valor
sea sta. Un trozo de hierro, posee una fuerza mnima ante la cual
empieza a deformarse, cosa que no pasa con el aire, por ejemplo.
Muchas veces atribuimos la definicin de fluido, a otros fenmenos
que ocurren a nuestro alrededor: decimos que el trfico de una
ciudad es ms fluido que otro (es falso, pero bueno.), en cuanto no
hay atascos y los coches van ms sueltos, por ejemplo; son
asignaciones que hacemos casi inconscientemente, pero que en cierta
forma, son vlidas.Parece simple, pero no lo es, ya que la dinmica
de cualquier fluido, viene determinada bsicamente, por 2
aspectos:
DensidadTodos los fluidos, incluido el aire, estn formados por
un nmero extremadamente grande de molculas; todas ellas estn
ligadas entre s, y separadas ciertas distancias (no todas iguales);
cuanto ms unidas estn todas las molculas, decimos que el fluido
posee ms densidad que otro; lgicamente, un fluido con ms densidad
que otro, pesa ms, por cuanto tiene mayor masa, al tener ms
molculas; por otra parte, estas consideraciones, no tiene valor, si
no se referencian respecto un volumen; por tanto, definimos
densidad, como la cantidad de molculas por unidad de volumen. Sea V
el volumen y m la masa; la densidad se define como:
densidad=m/V.
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La densidad es un parmetro muy importante, por cuanto
caracteriza de forma esencial, cualquier fluido, y ms an, lo
caracteriza desde el punto de vista termodinmico, cosa muy
importante por ejemplo, para conocer la eficiencia del motor.A
mayor densidad, la cantidad de aire es mayor (muchas molculas) y
por tanto la eficiencia del motor es mayor; de ah, que los das de
calor (baja densidad como veremos) el motor funciona peor que los
das de fro; o lo que es lo mismo: a principio del da, los motores
funcionan mejor, que durante las horas centrales del da.
PresinEsta caracterstica, est muy unida a la densidad. Existen,
podramos decir, 2 tipos de presiones: la atmosfrica y la no
atmosfrica.La presin atmosfrica, es la fuerza (o peso) que hay
sobre cierto punto o cuerpo, debida a la cantidad de molculas de
aire que hay sobre dicho punto o cuerpo. Esta columna de aire, se
sita desde dicho cuerpo, hasta el fin de la atmsfera. Otro de los
factores importantes relacionados en cierta forma con la presin, es
la altura con respecto al nivel del mar; cuanto ms altura tengamos,
el aire es menos denso, por tanto la presin atmosfrica es menor, y
debido a todo ello, un cuerpo pesa menos cuanta a ms altura midamos
ese peso; recordemos que el peso es una fuerza, que equivale a la
masa multiplicada por la aceleracin de la gravedad, y se mide en
Newtons (no hay que confundir peso y masa).Por todo lo dicho, a
mayor presin, las molculas de aire estn ms unidas, la densidad es
mayor y de esta forma y como consecuencia de ello, el motor, por
ejemplo, es ms eficiente.La fuerza no atmosfrica, es la presin
relativa; es aquella presin que no tiene en cuenta la presin
atmosfrica; la suma de ambas, se denomina presin absoluta; la
presin relativa, por ejemplo, es la causada por la propia dinmica
del aire, y es bsica, para poder disear un coche de competicin,
entre otras cosas, porque la presin atmosfrica, hagamos lo que
hagamos, siempre va estar presente y no podemos prescindir de
ella.Ambas presiones, son las que se encargan de mantener ms o
menos unidas a las molculas de aire; de esta forma, al aumentar la
presin, aumenta la densidad y viceversa; ms adelante, veremos las
dependencias entre todas ellas.
ViscosidadCuntas veces hemos confundido densidad y viscosidad;
un aceite es menos denso que el agua (por eso flota en ella), pero
es ms viscoso.La viscosidad es la resistencia que posee todo fluido
a deformarse por la accin de una fuerza cualquiera. No tiene nada
que ver con la densidad, que es la que cuantifica la cantidad de
molculas por unidad de volumen; la viscosidad es una propiedad
digamos dinmica; mientras no existe movimiento, no se hace patente
y no se puede cuantificar.La viscosidad es la propiedad del aire ms
importante; sin su existencia, no existira ningn fenmeno dinmico,
tal como la sustentacin por ejemplo. Como veremos ms adelante, es
la responsable directa de la existencia de la llamada capa lmite y
sin ella, no existiran las fuerzas aerodinmicas; de hecho, las
ecuaciones que rigen la dinmica del aire, son muy complejas; para
resolverlas, existen muchos procedimientos matemticos, y uno de
ellos, es la simplificacin de dichas ecuaciones o modelos
matemticos para que sea ms fcil el
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resolverlos; la simplificacin inicial (y burda o irreal) es la
de suponer que la viscosidad es nula; bajo esta hiptesis, resulta
que las turbulencias no existen; el modelo se podr entonces
resolver, pero no es ms que una simplificacin, no la realidad; en
la vida real, el 99.9% de todas las dinmicas de cualquier fluido,
son turbulentas.La viscosidad la definimos como la inversa de la
fuerza (tiempo) que ofrece todo fenmeno al movimiento o evolucin
temporal; cualquier fluido, intenta alcanzar el estado de mnima
energa; un fluido o en general fenmeno, ms perezoso que otro, tendr
una viscosidad mayor, puesto que le cuesta ms alcanzar dicho
estado.Hemos odo hablar o tildar en multitud de ocasiones, al
trfico de automviles de una ciudad, como viscoso; una de las veces
que estuve en una cola de coches, esperando que un semforo se
pusiese en verde para arrancar, observ que pas cierto tiempo, desde
que el disco se puso en verde, hasta que pude mover mi automvil; si
divido dicho tiempo entre la cantidad de coches que tengo delante
entre, obtengo PTr; ste, es el factor de viscosidad no
adimensional; cuanto mayor sea PTr, mayor viscosidad tendr.
RelacionesTanto la presin, densidad y viscosidad, como otras
propiedades quizs menos importantes, estn ligadas entre s; ello
significa que el hecho de variar una de ellas, conlleva la variacin
de las otras; las ecuaciones o expresiones matemticas 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, parmetro no intrnseco al propio fluido,
es la temperatura; estas ecuaciones de estado, tambin dependen de
la temperatura.
Leyes o principios de la Aerodinmica Una vez hemos vistas las
propiedades ms importantes del aire, hemos de pasar a las leyes o
principios que rigen toda dinmica o evolucin temporal.La verdad es
que en un principio, cabe decir que existe slo una ley universal
que rige toda dinmica; de hecho, con tan slo una ley, principio o
como se quiera llamar, est definida toda la Aerodinmica, sea de
coches de competicin, Aeronaves, Motos, barcos, etc.. alucinante
verdad? Pero es as; la ley dice: Todas las partculas tienden a
situarse en aquel estado de mnima energa. Ya lo deca Einstein: El
Universo es perezoso cunta razn tenaPor ello mismo, por ejemplo, el
aire siempre circula desde una zona de alta presin hacia otra de
baja presin.Parece simple, pero no lo es; existen diferentes tipos
de energa; bsicamente 3: por altura o cota, por velocidad y por
presin. Por si fuera poco, existe otra ley de termodinmica que dice
que la energa ni se crea ni se destruye, slo se transforma; pues ya
lo tenemos todo: hemos definido los 3 tipos de energa existentes, y
encima hemos encontrado la relacin entre ellas. La ecuacin
matemtica o modelo matemtico que recopila todo lo dicho, se
denomina Ecuaciones de Navier-Stokes; resolviendo dichas ecuaciones
o modelo, seramos capaces de averiguar cualquier aerodinmica o
dinmica en cualquier contexto; incluso podramos saber si dentro de
3 aos, 2 das y 45 segundos, llover o no llover. pero existe un
problema: son unas ecuaciones que no se pueden resolver
analticamente; hay que resolverlas numricamente, es decir: con
ordenador y tcnicas CFD (ya veremos esto en posteriores
artculos).
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Esta dinmica y su modelizacin, conlleva una serie de efectos,
sin los cuales, no podramos disear coche de competicin 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
Lmite-Efecto Coanda -Drag-Efecto suelo
Efecto Venturi /Principio Bernoulli
Esquema del Principio de Bernoulli.Sabemos que existen 3 tipos
de energa: la potencial (por cota o altura), la cintica (por
velocidad) y la de presin. Por ello, al tener que conservarse, en
todo proceso, la cantidad total de energa, la suma de las 3
energas, ha de permanecer constante. Esa es la ecuacin o principio
de Bernouilli.
Donde: V = velocidad del fluido en la seccin considerada. g =
aceleracin gravitatoria z = altura en la direccin de la gravedad
desde una cota de referencia. P = presin a lo largo de la lnea de
corriente. = densidad del fluido.
Para aplicar la ecuacin se deben realizar los siguientes
supuestos:
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Viscosidad (friccin interna) = 0 Es decir, se considera que la
lnea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona
no viscosa del fluido.
Caudal constante Flujo incompresible, donde es constante. La
ecuacin se aplica a lo largo de una lnea de corriente o en un
flujo
irrotacionalDe esta forma, si la presin aumenta, la velocidad ha
de disminuir y viceversa. Por ello todos hemos odo en alguna
ocasin: que la presin es inversa a la velocidad.
Esquema del efecto VenturiEl efecto Venturi, tambin es una
consecuencia directa: si en cierto fenmeno por donde pasa el aire,
hay un cambio de seccin, por ejemplo de mayor a menor, la cantidad
de aire que entra ha de ser la misma que la que sale (cosa lgica
por otra parte), con lo que por la seccin mayor, la velocidad del
aire ser menor que la velocidad del mismo aire al pasar por la
seccin menor. Esto es el efecto Venturi: al aumentar la velocidad,
la presin disminuye y viceversa.
Esquema del recorrido del flujo de aire en el efecto Venturi
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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 presin disminuye. Esta depresin chupa el ala hacia arriba en
este caso, producindose sustentacin.
Esquema flujo de aire al paso por un alaEn automovilismo, se
invierte la figura y se produce as el empuje contra el suelo. Es
decir, en la zona B la velocidad ser mayor, pues habr de de
recorrer una distancia mayor, con lo que la presin disminuir. Esta
depresin chupar el ala hacia abajo en este caso, producindose as
una fuerza de atraccin al piso.
Esquema flujo de aire al paso por un alern
Efecto Capa Lmite
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Ejemplo de capa lmite laminar. Un flujo laminar horizontal es
frenado al pasar sobre una superficie slida (lnea gruesa). El
perfil de velocidad (u) del fluido dentro de la capa lmite (rea
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 lmite, el fluido se desplaza prcticamente la
misma velocidad que en las condiciones iniciales (u0).En la
evolucin del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, dicho aire se
pega sobre el cuerpo, creando una capa muy fina de molculas en
principio. Al discurrir sobre esta fina capa, ms molculas del mismo
aire, y debido a la viscosidad principalmente, stas ltimas
ralentizan su velocidad, debido a que discurren sobre otras
molculas; as capa tras capa, se forma una capa de molculas de aire,
cuya ltima, posee ya casi la misma velocidad del aire que circunda
al cuerpo; esta capa se denomina capa lmite; tcnicamente se define
capa lmite y su espesor, como el espesor a partir del cual, la
velocidad es del 99% del flujo real.En cuerpos relativamente
pequeos como lo es un coche de competicin, suele tener como mximo
unos pocos milmetros, y ni tan siquiera tanto. todo depende de la
longitud del cuerpo, en relacin al sentido de la dinmica; por esta
razn, en trenes y al final de ellos, la capa lmite puede llegar
hasta 0.5 metros; de hecho y si lo pudiramos hacer, podramos sacar
la mano al final y sobre el techo de este ltimo vagn, y apenas
notaramos 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 lmite, es la responsable del
siguiente efecto que podemos apreciar.
Efecto Coanda
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Efecto Coanda del agua al pegarser a un recipiente, debido a la
viscosidad de estaTodo fluido, tiende a pegarse sobre una
superficie. Este es el efecto Coanda. Parece simple y de hecho
hasta lo es, pero tambin es extremadamente importante y decisivo en
todo diseo, por cuanto podemos, en cierta forma, canalizar aire all
donde queramos o necesitemos, sin necesidad de deflectarlo a lo
bestia con la resistencia que ello supone.Una buena manera de
explicar en qu consiste el efecto Coanda es con un ejemplo:
Esquema del efecto CoandaSupongamos una superficie curva, por
ejemplo un cilindro, tal como est en la ilustracin. Si sobre l
vertemos algo slido (arroz, por ejemplo) rebotar hacia la derecha.
El cilindro, por el principio de accin-reaccin, tender a ir a la
izquierda. Esto se puede ver en la primera parte de la
ilustracin.Si repetimos esta experiencia con un lquido, debido a su
viscosidad, tender a pegarse a la superficie curva. El fluido saldr
en direccin opuesta. En este caso, el cilindro ser atrado hacia el
fluido.Si nos imaginramos el lquido que cae como miles de capas de
agua, las capas que tocan al cilindro se pegarn. Las capas
contiguas, por el rozamiento, se pegarn a esta y se desviarn un
poco. Las siguientes capas, igualmente, se desviarn algo ms.En
algunos aviones de transporte, y dado que transportan mucha carga,
y sobre todo en el despegue, los motores a reaccin o las hlices en
su caso, descargan su flujo directamente sobre las alas
(debidamente protegidas claro), y aumentando el ngulo de incidencia
de las mismas, el aire no se despega de ellas, generando una fuerza
de sustentacin inmensa.Viendo el fenmeno de la sustentacin, se
puede apreciar que el aire se pega sobre la superficie, observando
tambin 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 demasa, evitando
gran resistencia aerodinmica.
Drag
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Efectos producidos por el drag, en diferentes cuerpo, con
diferentes coefiecientes de resistencia aerodinmicaTambin conocido
como resistencia aerodinmica o resistencia al arrastre, es la
combinacin de los efectos anteriores sobre un objeto que se
desplace a travs de cualquier fluido (aire en nuestro caso). La
cantidad de esa resistencia al avance depender de:
La densidad del fluido a atravesar. El ngulo de incidencia entre
el objeto y la componente direccional de
avance (de lo que se deduce que cada forma de objeto tiene una
resistencia especfica).
La cantidad de superficie en contacto con el fluido. De la
velocidad a la que se desplaza el objeto a travs del fluido (o
viceversa).Resumiendo, su frmula simple es: D = 0.5 * (Densidad)
* (v2) * (S) ( Cd)Donde: D = Drag, Arrastre, o Resistencia
aerodinmica.Densidad = Densidad del fluido (para nosotros densidad
del aire)v = VelocidadS = Superficie de impacto (superficie frontal
que choca contra el viento)Cd = Coeficiente aerodinmico del
objeto.De lo que se desprende que la resistencia aerodinmica es
proporcional al cuadrado de la velocidad.
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Lista con diferentes cuerpos y sus coeficientes de resistecia
aerodinmica
Efecto Suelo En el mundo de automovilismo, generalmente de
competicin, se busca, al contrario que en aeronutica, crear una
zona de alta presin por encima del vehculo y una de baja presin por
debajo, lo que provoca una succin que aplasta al vehculo contra el
suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de
trazar curvas a mayor velocidad.
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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
Frmula 1 a finales de los aos 70 por parte de Lotus, mediante
faldones y un diseo especial de la parte inferior de la carrocera,
y por su efectividad no tard en ser copiado por los dems
equipos.
Lotus 78, primer monoplaza en hacer uso del efecto suelo.
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Otra tcnica que se utiliz, concretamente en el Brabham BT46B,
era la extraccin del aire de debajo del vehculo 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 tcnica tena el problema de que en cuanto no hubiese
una presin lo suficientemente pequea por debajo del vehculo, cosa
que por ejemplo poda pasar si se pasaba a gran velocidad por encima
de un bache y el vehculo daba un saltito, ste poda volverse muy
inestable e incluso poda salir volando.Se podra pensar errneamente
que aumentando el peso del vehculo, se lograra un mayor efecto
suelo ya que el aumento del peso del vehculo se traducira en mayor
friccin de los neumticos contra el suelo y por ello en un mayor
agarre. Lo cierto es que al aumentar la masa del automvil, aumenta
proporcionalmente la fuerza centrfuga y esto hace que esta fuerza
venza a la friccin entre los neumticos y el suelo, perdindose el
agarre casi por completo.Lo interesante del efecto suelo es que
aumenta considerablemente la friccin entre los neumticos y el suelo
aerodinmicamente, sin aumentar la masa del automvil haciendo que el
agarre sea mayor a mayores velocidades. El problema se presenta
cuando los materiales de la banda de rodadura de los neumticos
llegan al lmite de adherencia contra el suelo, o cuando por
accidente se levanta una rueda o el coche avanza ladeado. Cuando
esto ocurre, el vehculo simplemente se vuelve incontrolable.Esta
condicin fue la causa del accidente del canadiense Gilles
Villeneuve en la tanda clasificatoria del GP de Blgica de 1982,
quien al golpear con una de sus ruedas delanteras con la rueda
trasera de otro coche, su Ferrari sali prcticamente volando
despidiendo por
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los aires a Villenueve, que muri en el acto. Tras este accidente
se prohibi o limit la utilizacin del efecto suelo por motivos de
seguridad.
El accidente de Gilles Villeneuve, en 1982, hizo que se
prohibiera el efecto suelo.
El Alern Cuntas veces hemos odo eso de que un Frmula 1 es un
avin al revs? Pues es totalmente cierto, al menos en lo que
respecta al chasis es claramente un avin dado la vuelta. Voy a
intentar explicar de manera ligera los conceptos que hacen
verdadera esta afirmacin con respecto a los alegrones de los
monoplazas.
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Recorrido del flujo de aire, a lo largo del ala de un avin.En
imagen tenemos un ala de un avin. El hecho de que un avin despegue
se basa en el diseo 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 reduccin del la presin en la parte
superior y que por tanto exista una mayor presin en la parte
inferior que termina empujando hacia arriba la aeronave. Es lo que
se conoce como la fuerza de Bernoulli.Pues en Frmula uno se
invierte los procesos, buscando una mayor presin en la parte
superior de los alerones para empujar hacia abajo a los monoplazas.
Por tanto la parte inferior de los alerones ser la que tenga una
mayor superficie para as reducir la presin.
Este es el concepto, en la siguiente imagen del alern trasero de
un F1 podemos observar perfectamente como los alerones son unas
alas como las de la imagen anterior pero invertidas.
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Esquema del alern 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 sustentacin, es decir
el donwforce.Sin duda, los alerones son un factor importantsimo de
cara al agarre. Generan alrededor del 66% de la fuerza hacia el
suelo del coche. Lo normal es que lleven secciones de perfil
aerodinmico multi-elemento (similar a los que se despliegan en los
aviones en fase de aterrizaje o despegue, en la foto) optimizados
para velocidades pequeas, ya que recordemos que las velocidades
punta de los Frmula 1 son ms bien lentas frente a cualquier vuelo
de crucero.En cada extremo lleva superficies transversales para
reducir la resistencia inducida. Y qu es esta resistencia? Se suele
denominar tambin resistencia de borde de ala, de punta de ala, de
ala finita varios nombres que describen lo mismo: una resistencia
inevitable, pero s 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 ms fcil irse por el lateral del
alern que por donde debe ir, generando un torbellino que da
resistencia.
Elementos de la aerodinmica A continuacin se indican y se
explican todos los diversos elementos aerodinmicos, que intervienen
en la aerodinmica de un monoplaza de F1, ya sea en mayor o meno
medida:
Alern Delantero Chasis Aletas de Cono Deflectores Laterales Toma
de Admisin
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Pontones Aletas de Pontn Tapa Motor Alern trasero Fondo Plano
Difusor El Casco
Alern Delantero
Alern delantero de F1El alern de un Frmula 1 est 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 perturbacin. El alern est diseado para
producir downforce y guiar el aire que se mueve aguas abajo.Flaps y
winglets (pequeos alerones y apndices aerodinmicos) 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 impactar sobre la eficiencia del alern trasero.
La eficiencia del alern se basa en tres parmetros bsicos: el
alargamiento, el ngulo de ataque y la resistencia:
1. El Alargamiento: La cantidad de downforce producida por un
ala o alern se determina por sus medidas. Cuanto mayor sea el alern
mayor downforce produce. Llamamos alargamiento a la relacin entre
longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la
resistencia creada por los vrtices en las puntas de los alerones.
El alargamiento es la longitud (la dimensin alargada perpendicular
al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensin paralela al
flujo).
2. El ngulo de Ataque: La eficiencia de un alern depende tambin
de la relacin downforce/resistencia. La cantidad de downforce
generada tambin depende del ngulo o inclinacin del alern. Cuanto
mayor es el ngulo de ataque mayor es el downforce producido.
3. La Resistencia: Al incrementar el downforce en un alern
tambin crece la nunca deseada resistencia. La downforce generada
por el alern
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trabajo en sentido vertical, hacia el suelo, mientras que la
resistencia acta en la direccin opuesta al flujo de aire.
Esquema alern delantero de F1. En rojo el recorrido del flujo
del aire, a travs del alern.En la puesta a punto del alern
delantero, los ingenieros deben considerar lo que suceder al flujo
de aire cuando este viaje aguas abajo recorriendo todo el coche. En
un esfuerzo de limpiar el flujo perturbado, se suelen hacer pequeos
ajustes en forma de apndices aerodinmicos o de acomplejizacin de
las superficies en la parte delantera del coche. Las turning vanes
(deflectores) se usan para desviar la estela (la estela es un
pequeo volumen turbulento de baja presin causado por el paso de un
objeto a travs del aire que produce resistencia de presin) de flujo
turbulento lejos de las ruedas delanteras y el alern delantero.
Este efecto, aleja al aire perturbado de las entradas de los
radiadores y de la panza del coche. En los circuitos ms lentos
tambin se pueden montar pequeos secciones de verticales en alern,
ineficientes en circuitos rpidos por su produccin de resistencia
aerodinmica.Los alerones para las configuraciones de circuitos
rpidos son muy pequeos y funcionan ms bien como elementos
estabilizadores que como generadores de downforce. Dicha
configuracin es capaz de producir una fuerza de 6.650 N.
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Alern delantero Red Bull temporada 2009Las ruedas delanteras y
traseras son la mayor fuente de resistencia de un Frmula 1. Esto
provoca hasta un 60% de ineficiencia aerodinmica (el aporte en la
resistencia total suele ser de un 40%). El conjunto del alern
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 afectar al flujo de aire que se mueve hacia la parte
trasera. El equipo de ingenieros tiene que considerar que cualquier
cambio en el alern delantero tendr un impacto sobre la eficiencia
aerodinmica general de todo el coche.
Alern Ferrari de la temporada 2005
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En resumen, es decir, el alern delantero carga con el 33% de la
fuerza hacia abajo total del coche (la mitad del grupo alern).Para
entender su funcionamiento, que es lo ms importante, lo mejor es
pensar en una tabla horizontal que es la que nos dar apoyo
vertical, y un conjunto de lengetas 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 lengetas laterales nombradas antes), tiene la funcin
aadida de alimentar en parte a los bajos, y canalizar el flujo de
aire de la forma deseada hacia la popa del monoplaza. Otra funcin
interesante que realiza el alern delantero gracias a su forma, es
la de deflectar aire hacia los frenos para mejorar su
refrigeracin.
Alern Mclaren de la temporada 2009La idea y el problema
principal en diseo es buscar una solucin de compromiso entre la
generacin de fuerza vertical y el desvo de aire a otras partes del
coche.Como curiosidad comparar el tipo de alern delantero que se
usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alern que se utiliza
desde la temporada 2009.
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Tipo de alern utilizado hasta la temporada 2008
Tipo de alern utilizado desde la temporada 2009
Chasis
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El chasis de un F1, desde arriba y de perfil.El chasis de un
Frmula 1 est diseado, como todo elemento en un F1, para producir el
mximo de downforce minimizando a su vez la resistencia. Para
conseguirlo la parte superior del coche est diseada para cortar el
aire tan finamente como sea posible, mientras que su parte inferior
se disea para crear una zona de baja presin entre el coche y el
asfalto que empuje el coche hacia el suelo. Antao el diseo de
debajo de los sidepods recordaba a un perfil aerodinmico 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, an as el chasis an es capaz de
producir downforce.
-
Los primeros Frmula 1 que utilizaron alerones, fueron los de los
aos sesenta.El desarrollo del efecto suelo empez en los aos 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 rediseo de la
panza del monoplaza y se introdujeron los sidepods del coche que
contenan los radiadores que introducan el aire debajo del coche
hacia sus tneles. Dichos tneles se estrechaban en el centro y se
ensanchaban hacia la parte posterior del coche. Tal y como el aire
se mova hacia los tneles, se creaba un rea de baja presin entre el
coche y el suelo. Esto produca que el coche fuera succionado hacia
el suelo. Al progresar las pruebas con estos nuevos diseos, los
ingenieros se dieron cuenta de que reduciendo el flujo lateral
debajo del coche mejoraba an ms 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 aerodinmico pero el organismo regulador de entonces
tom cartas en el asunto.Actualmente las regulaciones de la FIA
estipulan que los Frmula 1 deben tener un fondo plano y prohben
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 dcada tras dcada ha
ganado mucha importancia en la Frmula 1.A pesar de todas estas
limitaciones, la geometra de la panza del coche sigue teniendo una
importancia vital en la configuracin aerodinmica del coche.
Aletas de Cono Estos elementos son aletas destinadas a la
correccin de los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte
media y luego a la trasera.
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Independientemente de su orientacin, su funcin no es la
generacin de empuje, sino el redirigir, dividir y/o repartir el
flujo de aire incidente en ellas.Su funcin es solucionar
inestabilidades, vibraciones o decaimientos de rendimiento en
elementos que estn por detrs en el flujo de aire, y como ocurre
siempre, son elementos aadidos tras la deteccin de una anormalidad
en algn sitio posterior.Por esto mismo, son especficas para cada
problema y cada coche. Adems suelen tener cortos periodos de vida,
pues suele haber soluciones menos costosas en cuando al arrastre
(aunque ms difciles de implementar en el blido).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
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Orejas
AletasAqu 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 blidos y llevan alojada una mini cmara de
Tv, de dnde salen algunos planos de visin frontal.En esta zona, est
el famoso tubo Pitot, en primer trmino, y despus la o las antenas
de radio. De este, ya hablaremos ms adelante en la seccin de este
nivel dedicada a la electrnica.
Deflectores Laterales
Esquema de un deflector de un monoplaza de F1A principio del
siglo XXI hubo un debate sobre si los deflectores deberan seguir
formando parte de los F1, Adrian Newey afirm que estaba pensando en
suprimirlos en sus prximas creaciones y que los futuros McLaren ya
no llevaran deflectores, pero estos apndices aerodinmicos se
quedaran en la F1 y cobraran cada vez ms importancia.Los
deflectores al contrario que otros elementos aerodinmicos no
cumplen la funcin de generar apoyo o downforce es decir no se
encargan de empujar el coche hacia abajo. Los deflectores tienen
una funcin distribuidora de los flujos del aire.Principalmente dos,
la primera sera la de canalizar el aire hacia los pontones para
mejorar la refrigeracin, si os fijis, los deflectores imitan la
forma del chasis y suelen ir sujetos a la esquina inferior exterior
del pontn en cuestin. La segunda cualidad sera 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 as el apoyo aerodinmico, ya os apunto aunque
lo trataremos ms detenidamente en otro post que el difusor es el
elemento del coche que genera ms apoyo aerodinmico por s slo. Por
tanto, si los deflectores mejoran el flujo de aire hacia el difusor
la eficacia aerodinmica es mayor
Deflectores laterales de Force IndiaLas funciones del sistema de
deflectores, son cuatro:
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1-Redirigir el aire sucio (turbulento) de las ruedas hacia fuera
de los pontones.2-Separar el flujo de aire hacia la toma de
refrigeracin.3-Sellar el fondo para aumentar el efecto
suelo.4-Generacin de empuje.1) Tanto la zona exterior de los
deflectores de la zona de suspensin, como el deflector, estn
diseados 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 carrocera del vehculo.2) Sin
embargo, las zonas inferiores de esos deflectores que separan el
aire sucio, tienen como misin mantener el aire limpio (laminado y
con pocas perturbaciones) dirigido hacia la toma de aire de los
radiadores que estn en los pontones.3) Al igual que con el alern
frontal, se pretende generar un sellado de los laterales de los
bajos del coche, de tal manera que se potencie la generacin de esos
vrtices de alta energa, cosa que se produce en la interseccin 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 asimtrico, ya que los circuitos al ser
cerrados, suelen tender a cargar ms curvas a un lado que al otro,
as 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 Admisin y Anclaje para Gra
Toma de aire y anclaje de la gra del R30El anclaje para gra, es
la parte elevada por encima de la cabeza del piloto, que tiene una
entrada de aire ms o menos grande y est rematada por el alern
superior de la cmara, impuesto por reglamento, al igual que la
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apertura necesaria para poder levantar el coche mediante una
gra, en caso de tal necesidad.
Es una buena zona para colocar aletas, que pueden tener mltiples
aplicaciones, desde generar un alto empuje en la zona central, o
redirigir los flujos de aire hacia el alern trasero, hasta corregir
inestabilidades o vibraciones innecesarias.
Pontones
Pontn izquierdoSon la parte ancha y baja de la carrocera, que se
extienden desde cada lado del habitculo del piloto hasta el extremo
final de los radiadores cubrindolos, obviamente no cubre las tomas
de aire. Desde ah hacia atrs, se van estrechando hacia la zona
central trasera, de tal manera que dan un forma de botella de
coca-cola a la silueta del blido.Esa forma no es causal en la F1,
ya que se basa en una regla del diseo aeronutico, la llamada Regla
del rea. Esta regla de diseo sirve para reducir la resistencia de
onda producida en el avance de un cuerpo a travs 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 seccin trasversal del objeto que se
desplaza.
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Pontn derechoEn aviones es fundamental si se quiere sobrepasar
el Match 1 de velocidad, en los barcos tambin 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 temblar tanto por este motivo, las vibraciones por
el motor y suspensin son otro asunto.Es en los pontones donde se
colocan aditamentos como las famosas branquias y tambin,
obviamente, las aletas de pontn, las chimeneas, as como los escapes
que estn en la parte trasera de esta cubierta.
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En los pontones se sitan las branquias de refrigeracin, y los
escapes, as como otros aditamientos aerodinmicos.Estos aditamentos
nombrados cumplen diferentes funciones.
Aletas de Pontn Parecera evidente que disponiendo de una zona
tan amplia como los pontones, se pudiesen llenar con uno o varios
dispositivos aerodinmicos 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, transmisin,
refrigeracin)En lugar de esto, es preferible, ya que se gana ms,
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
alern 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)Generacin de empuje vertical.Diferentes tipos
de aletas de pontn:
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Imagen a)a)Se puede observar desde lejos la presencia de unas
enormes placas en la parte anterior de los pontones. Su funcin es
doble, incrementar lo estrictamente necesario la cantidad de aire
para la refrigeracin (demasiado aire produciran 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
alern frontal.
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Imagen c)c)Dirigir el flujo de aire para que incida mejor en el
alern trasero. Esta es la misin fundamental de los llamados
alerones o aletas en R (por similitud con la letra r la de un lado,
la del otro estar reflejada o invertida, como es el caso de
Ferrari).
Imagen d)
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d)Evacuar el aire caliente proveniente de los radiadores. Por
algn sitio tendr que salir, y no parece ser recomendable que ese
aire ya caliente bae otra vez al motor.Para ello hay varias
soluciones, desde la colocacin de rendijas por las que evacuar el
aire caliente, hasta la colocacin de chimeneas con su funcin
evidente, pasando por sistemas mixtos de unos y otros, inclusive
hasta abrir el chasis con agujeros para que salga directamente
desde los radiadores.Tambin hubo quien (dependiendo del clima de la
carrera) mediante carenado del interior del pontn, los llevaba por
dentro, para soltarlos por la parte trasera, pero no resultaban tan
eficaces como pretendan.
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 fros que venimos
transportando desde el frontal, incidan o se mezclen con los gases
calientes y turbulentos de los escapes, lo que reducira enormemente
la eficacia del alern trasero. Para ello una solucin simple y con
beneficios aadidos consiste en digamos hacer hueco para el chorro
de gases de escape, de tal manera que no se pierda la direccin
correcta del flujo limpio para el alern trasero y la ruedas, y por
diferencia de velocidades, tirar del aire caliente, mejorando la
extraccin de los gases y ganando potencia en el motor.
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Imagen f)f)Generacin de empuje vertical. La forma intrnseca del
chasis del pontn contribuye a ello, adems de los empujes generados
por los elementos deflectores de los apartados b) y c) de esta
seccin. Sin olvidarnos de que la parte baja de esta seccin, est
remada por una especie de faldn, para tratar de mantener el
indispensable efecto suelo.
Tapa Motor
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Tapa MotorEs 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 combustin
del motor, que est carenada en otra pieza aparte.No se suele llevar
ningn tipo de aditivos aerodinmico, pues no tiene puntos
resistentes para la transmisin de fuerzas al cuerpo del vehculo.
Claro que espordicamente, aparece incorporado algn tipo de divisor
de flujo o algn aletn de estabilizacin
Alern Trasero
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Alern traseroLa configuracin del alern trasero se determina (de
forma incluso ms crtica que en el caso del delantero) segn el tipo
de circuito en el que se corra.Existen segn el actual reglamento
tcnico de la Frmula 1 tres tipos de configuraciones:
Baja downforce Estndar downforce Alta downforce
De nuevo el compromiso est en conseguir una ptima relacin
downforce/resistencia. El alern trasero de tres alas en cascada
(puede asimilarse a una pequea cascada de labes) se usa en los
circuitos lentos y es capaz de producir una fuerza de hasta 13.000
N que tambin maximiza la resistencia. El alern estndar de utilizado
en circuitos mixtos est formado por dos alas que producen menos
downforce y resistencia. El alern usado en circuitos rpidos es el
ms pequeo de todos, consta solamente de un ala casi plana y produce
la mnima resistencia.Al moverse el flujo de aire hacia la parte
posterior del coche, este es cada vez ms turbulento. La estela del
alern 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 alern trasero no es
tan eficiente como el delantero y an as este debe generar ms del
doble de downforce para equilibrar el monoplaza. Por tanto el alern
trasero est diseado para producir un alto downforce. Por
consecuencia el alern trasero, junto a las ruedas es el elemento
responsable de la mayor parte de la resistencia, de nuevo la clave
reside en la relacin downforce/resistencia, la downforce es
necesaria para entrar y salir rpidamente de las curvas, y la baja
resistencia para alcanzar altas velocidades en las rectas. La
eficiencia del alern trasero depende de los mismos parmetros que el
alern delantero (Alargamiento, ngulo de ataque y resistencia).
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Alern trasero Ferrari temporada 2009Por tanto, podemos decir que
el alern trasero tiene dos misiones fundamentales:
Generar el mximo de empuje vertical (downforce) con el mnimo
arrastre y vibracin. (drag).
Crear una zona de baja presin debajo de l, o lo que es lo mismo,
encima del difusor.
Esto, es algo fcil de decir, pero extremadamente difcil 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 alern dependa de la propia
constitucin de estas y de la calidad del aire incidente de
estas.
Alern trasero Mclaren temporada 2009
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La normativa que se le aplica a este alern, es de lo ms
estricto, ya que tiene una flexin limitada, unas alturas limitadas,
unos materiales limitadosComo curiosidad comparar el tipo de alern
trasero que se usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alern que
se utiliza desde la temporada 2009.
Tipo de alern trasero usado hasta la temporada 2008
Tipo de alern trasero usada desde la temporada 2009
Fondo Plano El fondo plano, es la parte ms baja del monoplaza,
ya que este es la superfcie 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 ms cercana est 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
mtodos:
Vrtices del alern delantero en un determinado sentio, para
extraer aire de debajo del coche.
Apdices colocados debajo de la abertura de los pontones, para
desviar y alejar el flujo de aire de la parte baja del coche.
Lbios en los extremos de la superfcie 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 segn la normativa tiene que haber una
distancia mnima de 100mm entre el fondo plano y el asfalto. De lo
contrario, si la la tabla se desgasta ms 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 est 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.
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Fondo plano del MP4-24. Junto con este, se pueden observar el
difusor y la tabla de madera.
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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
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Difusor de F1Un ltimo elemento aerodinmico de mucha importancia
en un Frmula 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 geometra tal que mejora las propiedades
aerodinmicas del coche, optimizando la transicin entre el flujo de
alta velocidad de debajo del coche con el flujo mucho ms lento de
la parte superior (a presin atmosfrica, contrastando con el flujo a
baja presin 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. Tambin 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 diseo es de una importancia vital,
puesto que cunto ms rpido el aire sea capaz de salir del coche, ms
downforce se produce.Como se puede observar en las imagenes
siguientes, un difusor est formado por una sola pieza.
Difusor visto por delante
Difusor visto desde atrsPor ltimo, decir que el difusor suele
formar parte del fondo plano, al unirse con este. Esto es algo que
se puede apreciar, ms que bien, en la imagen siguiente.
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El difusor forma parte del fondo plano del monoplaza
El Casco
Recorrido del flujo de aire, a su paso por el casco del pilotoEl
casco de los pilotos, como moderno yelmo de los antiguos caballeros
medievales, muchas veces nos habla de la personalidad de su
propietario.Pero ms all de las fbulas y de los entronques histricos
que la imaginacin quiera establecer, los cascos de nuestros pilotos
tienen una funcin clara y concreta: la proteccin de la integridad
de sus propietarios.
-
No obstante, siendo esta la aplicacin primaria del los cascos
integrales, que se utilizan en la mayora de las disciplinas
deportivas automovilsticas, no hay que olvidar el principio bsico
de toda competicin.Por definicin de competicin, todos y cada uno de
los elementos que componen un coche destinado a este fin, sirven
para algo: no hay nada intil.Existe una premisa bsica en
competicin, que dice as: si he de colocar un elemento por causas
mayores, he de disearlo de forma y manera que sirva o cumple otra
funcin beneficiosa para la dinmica del coche.Bajo este prisma de
diseo, el casco, como elemento indispensable y necesario, hay que
disearlo de forma que acte de forma beneficiosa en alguna
medida.
Anlisis del comportamiento aerodinmico de un casco de F1
mediante CFDPrincipios del casco de F1Dado el lugar donde se ubica
el casco, podemos, en principio, hacer que acte en 2 aspectos:1.
Adecuando el flujo hacia la toma de admisin:Ya que en funcin de si
se canaliza o no, mediante un apndice colocado en el alern
delantero, el flujo de aire, se podran obtener aumentos de potencia
de hasta 5 CV o quizs ms.2. Adecuando el flujo de aire hacia la
popa (alern trasero y difusor):En este caso, la eficiencia del
alern trasero y tambin del difusor aumentan de forma
considerable.En un principio y ello es verdaderamente as, los
diseos de un casco son diferentes en funcin de la categora donde se
dan. Las funciones son diferentes y por lo tanto, los diseos han de
ser diferentes.
Si se pretende canalizar de forma idnea el flujo de aire hacia
la toma de admisin, el diseo del casco ha de permitir un flujo
superior enfocado hacia la toma de admisin, teniendo en cuenta una
desviacin de flujo no necesario o excedente.
-
Si se pretende canalizar el flujo de forma adecuada hacia la
popa del coche, el diseo ha de permitir un flujo a su alrededor con
baja resistencia, siendo la popa del casco zona importantsima para
que el flujo no sea turbulento o cause alteraciones en el mapa de
presiones o turbulencias peridicas-
Por si fuera todo esto poco, notar lo siguiente: en un coche de
GP2, la variacin de tan slo 2 cm de la altura del casco, produce
una variacin 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 diseo a medida de cada
piloto, competicin y dems variables que intervienen.
El Tnel de Viento
Tnel de VientoLa mayora de los tneles de viento de la industria
automovilstica son una instalacin 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 rea de pruebas, que es donde
se colocarn las maquetas de los vehculos sobre los que se van a
efectuar los ensayos.Adems la superficie sobre la que se apoya el
vehculo es mvil. Esto es para poder realizar las pruebas
aerodinmicas con las ruedas en movimiento.Bsicamente el tnel de
viento sirve para estudiar el comportamiento aerodinmico del coche:
calcular coeficientes aerodinmicos, fuerzas aerodinmicas, centro de
presiones y momentos aerodinmicos.
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Esquema de un tnel de vientoA continuacin veremos cmo se
calculan estos factores y cmo influyen en la estabilidad y el
rendimiento del vehculo.Lo primero que se ha de hacer es una
maqueta a escala del vehculo sobre el que se van a efectuar las
correspondientes pruebas. Esta maqueta se llena de transductores
(sensores) de presin por gran parte de su superficie. El objetivo
es obtener una distribucin de presiones a partir de la cual
calcular numricamente fuerzas.En cada punto de la superficie del
vehculo se producen dos fuerzas que tienen que ver con su
movimiento en un fluido como es el aire. Una es la fuerza de presin
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).
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Distribucin de fuerzas en un monoplaza de F1Con los ensayos en
el tnel se obtienen distribuciones de presin con las que luego
mediante mtodos numricos se obtienen distribuciones de fuerzas, las
cuales sumamos, y calculamos as la resultante que aplicamos en el
centro de presiones del vehculo previo calculo de este. El centro
de presiones (cdp) del vehculo es donde se aplica la resultante de
todas las fuerzas aerodinmicas. Es distinto del centro de gravedad
(cdg), que es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas de
gravedad del vehculo. Si estos dos centros divergen demasiado en su
posicin el vehculo ser inestable, de ah que oigamos en los
entrenamientos muchas veces que estn ajustando el reparto de pesos.
Lo que estn haciendo es intentar ajustar la posicin del centro de
gravedad para que coincida lo mximo posible con el centro de
presiones aerodinmico de cara a que el vehculo sea lo ms estable
posible. Si no coinciden se producen pares de fuerzas que producen
momentos y con ello inestabilidad en el vehculo.Pero por el momento
centrmonos en las fuerzas resultantes que se producen:
-
Fuerzas resultantes que se producen en un monoplaza de F1Podemos
ver que las resultantes de las fuerzas aerodinmicas tienen una
componente en el eje X que se opone al avance del vehculo llamada
Fuerza de arrastre (Fx) o Resistencia aerodinmica, y una componente
en el eje Y que tiende a elevar a este llamada sustentacin.En la
Formula 1 se persigue el equilibrio que minimice la fuerza de
arrastre y la fuerza de sustentacin, incluso en cuanto a esta ltima
se refiere, se persigue que en lugar de hacia arriba vaya hacia
abajo (downforce) para favorecer as el agarre y la traccin del
vehculo.Influyen otras fuerzas aerodinmicas, pero son menos
significativas, siendo de las dos que hemos analizado la ms
significativa la de presin, que viene a ser un 70-80% de las
fuerzas aerodinmicas totales que influyen en el vehculo, la de
rozamiento aerodinmico vendra a influir aproximadamente un 10%.Una
vez se obtienen las fuerzas se sacan unos coeficientes
adimensionales, que son los coeficientes aerodinmicos. En Formula 1
es de especial inters el coeficiente de arrastre (Cx) que obedece a
la frmula:
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 tnel 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 frmula, el Coeficiente Aerodinmico 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 CxS se
utiliza para comparar diferentes configuraciones del vehculo o
diferentes vehculos. Cuando en un gran premio reglan los alerones,
el morro, etc, lo que estn
-
haciendo es variar este coeficiente y con ello claro est la
fuerza aerodinmica de arrastre. El Cx de un Formula 1 suele ser el
doble de un coche de calle, siendo un poco ms alto en aquellos
grandes premios donde no es demasiado importante la velocidad punta
y es ms importante el agarre. Estando su valor entre 0,7 (Monza) y
1,1 (Mnaco) aproximadamente.Como antes comentbamos, si el centro de
presiones est desplazado respecto al centro de gravedad se producen
momentos que hacen inestable al vehculo. Si el cdp esta adelantado
respecto al cdg por ejemplo, si la sustentacin que se produce es
positiva y no hay downforce se producira un desgaste menor en los
neumticos delanteros y un menor agarre de estos provocando
subviraje (tendencia a seguir recto en curva). Si no hay downforce
y el cdp est retrasado respecto al cdg se producir menor agarre en
los neumticos traseros y sobreviraje (tendencia a girar ms de lo
debido).Si aparece viento lateral y el cdp y cdg estn desplazados
en funcin de la direccin de este podra aumentar la posibilidad de
producirse sobreviraje o subviraje.Es por esto que se busca la
mayor estabilidad del vehculo regulando para cada circuito el
centro de presin y el de gravedad, para ello se puede actuar sobre
superficies aerodinmicas 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.
Tnel de VientoHoy en da, la mayora de equipos de F1, por no
decir todos, cuentan con su propio tnel de viento, en sus
respectivas fbricas. Aqu, es donde prueban las piezas, diseadas en
la misma fbrica, que luego llevarn a los circuitos.
-
Tnel de viento del equipo Renault F1 Team
El CFD
-
Anlisis del comportamiento aerodinmico de un monoplaza mediante
CFDEl CFD, es son las siglas de Computational Fluid Dynamics, en
ingls. En espaol, Mecnica de Fluidos Computacional o mediante
computadora.El CFD es una de las ramas de la mecnica de fluidos que
utiliza mtodos numricos y algoritmos para resolver y analizar
problemas sobre el flujo de sustancias. Los ordenadores son
utilizados para realizar millones de clculos requeridos para
simular la interaccin de los lquidos y los gases con superficies
complejas proyectadas por la ingeniera. Aun con ecuaciones
simplificadas y superordenadores de alto rendimiento, solo se
pueden alcanzar resultados aproximados en muchos casos. La continua
investigacin, sin embargo, permite la incorporacin de software que
reduce la velocidad de clculo como as tambin el margen de error al
tiempo que permite analizar situacines cada vez ms complejas como
los fluidos transnicos y los flujos turbulentos. La verificacin de
los datos obtenidos por CFD suele ser realizada en tneles de viento
u otros modelos fsicos a escala.El clculo 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.
Anlisis aerodinmico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD
-
Anlisis termodinmico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD
Anlisis aerodinmico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista
delantera)
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Anlisis aerodinmico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista
trasera)Pero, cmo s que las simulaciones obtenidas del ordenador
son ciertas?, aqu es donde entra la correlacin entre los datos
obtenidos en el tnel real y en el tnel virtual. Por ello se debe
realizar la simulacin virtual en las mismas condiciones en las que
funciona el tnel de viento y solo entonces se podrn comparar los
resultados reales y virtuales.Llegados a este punto, podr realizar
un ajuste del modelo virtual (cosa bastante complicada por otra
parte) para que se ajuste a la realidad y as obtener unos
resultados virtuales fiables. Una vez conseguido un modelo virtual
ajustado, se podr realizar tantas simulaciones como se quiera o se
pueda, teniendo en cuenta todos los parmetros y variaciones que se
necesiten.El CFD permite analizar, no slo el monoplaza en conjunto,
sino que tambin las diferentes partes de este.
Anlisis aerodinmico, mediante CFD, de un alern delantero de
F1.
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Anlisis termodinmico, mediante CFD, de un bloque de un motor de
F1.
Novedades Aerodinmicas A continuacin se citan una serie de
mejoras aerodinmicas que han sido posibles gracias a la introduccin
de la CFD en el proceso de diseo de un Frmula 1. Tomando esta
disciplina ms importancia temporada tras temporada, ella junto con
el desarrollo en el tnel de viento, asegura a los ingenieros
aerodinmicos y a los diseadores 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 Alern Delantero Variacin del ngulo de ataque
del Alern Difusor Doble Llantas Monotuerca F- Duct Toma de Admisin
Doble Difusor Soplado por los Escapes
Volver al ndice de lecciones del apartado de Aerodinmica
Alerones Flexibles
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Ilegales, prohibidos. As es como estn considerados los alerones
que flexan durante el movimiento del coche. Por tanto, y segn la
normativa, las piezas aerodinmicas no pueden moverse ms de 5 mm al
aplicar una fuerza vertical de 500 Newtons sobre el plano del alern
y no pueden diferir ms de un grado horizontal al aplicar una fuerza
de 1000 Newtons en los extremos del plano del alern
simultneamente.Ejemplo de este tipo de alerones flexibles, fue una
de las trampas de Ferrari ms flagrantes de la historia con respecto
a este artculo del reglamento (que es mucho ms extenso y tiene
muchas condiciones ms acerca de la flexibilidad), atentos al
vdeo.Si os habis fijado bien en el video, en las recta el plano
inferior del alern trasero, se flexiona, anulando as la funcin de
este en recta. Por el contrario, al llegar a las curvas, este
vuelve a su posicin inicial y vuelve a cumplir con su funcin
inicial. Estas flexiones e inflexiones, son debidas a que al
acelerarse el flujo del aire (lo que pasa en recta), el plano
inferior del alern 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 posicin inicial.En la
imagen siguiente se puede observar el funcionamiento de este alern
trasero flexible.
Esquema del funcionamiento del alern trasero flexible de
ferrari. (Con borde blanco la posicin inicial del alern, y con
borde rojo la posicin flexionada del alern, en recta)Aparte de los
alerones traseros flexibles, por supuesto que tambin existen los
alerones delanteros flexibles. Ejemplo de ello, es el siguiente
alern diseado por ferrari.
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Alern delantero flexibles de Ferrari. (Las flechas indican el
movimiento de la flexin, de los diferentes planos del alern)Como
indican las flechas de la imagen, en recta, este alern 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 prdida, es decir no realizan su funcin, ya que no generan ningn
drag, con lo que se reduce al resistencia aerodinmica. Por otra
parte, el plano inferior se flexiona hacia abajo, anunlandocasi por
completo el ngulo de dicho plano del alern, con lo que este tampoco
genera resistencia al avance.Por el contrario, en la curvas, los
diferentes planos vuelven a su posicin, con lo que el alern vuelve
a realizar su funcin inicial, generando el downforce necesario para
tomar las curvas.En la seqencia de imagenes siguiente, se puede
observar claramente el funcionamiento de este alern delantero
mvil.
Seqencia de imagenes, donde se puede observar el funcionamiento
del alern delantero mvil de Ferrari.Una vez visto esto, podemos
decir que los beneficios de un alern flexible, son que:
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1. Ofrece menor carga aerodinmica en rectas lo que reduce la
resistencia al aire y permite araar 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 dcimas de ganancia cada vuelta.
Los circuitos medios, que no son ni rpidos ni lentos, siempre
plantean el dilema a los ingenieros de la configuracin aerodinmica,
el caso ms claro es Indianapolis. Su zona interior es tremendamente
lenta y revirada, pero la parte del valo es de velocidad pura. Por
tanto los elementos flexibles solucionaban en parte este problema
de decisin. Del mismo modo las configuraciones aerodinmicas
dependan antes del da 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 configuracin que
sacrifique las zonas lentas para tener ms velocidad punta para
adelantar con mayor facilidad a los rivales. De salir en la pole y
segn veamos a nuestros rivales nos centraremos en un paso por curva
consistente o un balance aerodinmico totalmente neutro.Ahora bien,
esto hoy en da no es tan ajustable. El rgimen de parque cerrado al
que son sometidos los coches despus de la clasificacin impide que
las aerodinmicas sean retocadas. As pues el balance aerodinmico de
los coches para la carrera tiene que estar configurado el sbado,
para evitar este tipo de alerones flexibles o mviles.
Aleta Dorsal
El Renault R30 presenta aleta dorsalA principios de la temporada
2008, Red Bull Racing introdujo la aleta dorsal o aleta de tiburn
en el recubrimiento del motor, dicha introduccin 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 da.
Por ello a da de hoy, la montan la mayora de equipos.
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Primera aleta de tiburn o aleta dorsal inventada. Fue montada en
el Red Bull RB4.Dicha aleta est diseada para mejorar la eficiencia
cuando el coche realiza un viraje, debido a que redirige el flujo
para prevenir una reduccin de la downforce cuando el coche gira.
Conceptualmente hablando, esta aleta se trata de una superficie
plana, que tiene la funcin de encauzar adecuadamente el flujo hacia
el alern. 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 as lleguen ms limpiamente al alern
trasero, es decir con menos turbulencias, con lo que se obtiene un
mayor rendimiento de este.Esta es la primera aplicacin. 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 fsicamente 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 pegndose. Ello es as debido a la viscosidad y por
tanto a la friccin, bien es cierto que aumentar la drag, pero los
beneficios alcanzados en trminos de lift, son mayores, con lo que
compensa una cosa con otra.
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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 dinmica 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 dinmica del monoplaza.
Por otra parte, tambin ayuda para situar el centro de presin
lateral y global del coche, all donde se requiera en cada momento.
Ya que dependiendo de la dinmica del coche en cada momento, el
centro de presin lateral y global del coche variarn a depender de
esta.
Aleta de tiburn Ferrari F2008
Ala Delta
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Ala DeltaEl ala delta, es un tipo de alern delantero que
inicialmente fue introducido por BMW Sauber en la temporada 2008.
La funcin de la cual es sencillamente generar downforce extra,
siendo constituida por un perfil simple, con inclinacin nula y de
un pequeo espesor.
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Esquema Ala Delta
Alas de Cabina
Alas de cabina sealadas con dos flechas rojas
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Son un tipo de apndice aerodinmico, la funcin de las cuales son
estabilizar el flujo alrededor de la cabina del piloto y permitir
que el alern trasero produzca un mayor downforce.
Esquema alas de cabinaDesde su creacin, se han desarrollado
diferentes versiones, ya sea sin incidencia, con ngulo de ataque
positivo o con torsin, terminando en ngulo de ataque nulo. Esta
ltima configuracin intenta prevenir la aparicin de vrtices en la
punta de dichas alas.
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Alas de cabina rodeadas por dos circunferencias rojas.
Alas Dumbo
Alas Dumbo u Orejas de elefanteConocidas 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 versin, a gusto de las necesidades
de cada uno.La funcin 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
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Aletas tabique rodeadas por una circunferencia rojaLas aletas
tabiques, son un tipo de aletas de cono, destinadas a la correccin
de los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte media y
luego a la trasera.Su funcin no es la generacin de empuje, sino el
redirigir, dividir y/o repartir el flujo de aire incidente en
ellas. Aparte de esto, tambin son diseadas para solucionar
inestabilidades, vibraciones o decaimientos de rendimiento en
elementos que estn por detrs en el flujo de aire, y como ocurre
siempre, son elementos aadidos tras la deteccin de una anormalidad
en algn sitio posterior. Por esto mismo, son especficas para cada
problema y cada coche, ya que han de crearse en idea a toda la
geometra del coche. Esto se debe, a que el tipo de aleta tabique
que sea buena para un coche, quizs no lo sea para otro, ya que este
segundo tendr una diferente geometra, respecto del primero.
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Esquema aletas tabique
Aletas Oreja
Aletas oreja rodeadas por una circunferencia rojaLas aletas
oreja, son un tipo de aletas de cono, destinadas a la correccin de
los flujos de aire pasantes por el cono hacia la parte media y
luego a la trasera.Su funcin, al igual que la del resto de las
aletas de cono, no es la generacin de empuje, sino el redirigir,
dividir y/o repartir el flujo de aire incidente en ellas. Aparte de
esto, tambin son diseadas para solucionar inestabilidades,
vibraciones o decaimientos de rendimiento en elementos que estn por
detrs en el flujo de aire, y como ocurre siempre, son elementos
aadidos tras la deteccin de una anormalidad en algn sitio
posterior. Por esto mismo, son especficas para cada problema y cada
coche, ya que han de crearse en idea a toda la geometra del coche.
Esto se debe, a que el tipo de aleta oreja que sea buena para un
coche, quizs no lo sea para otro, ya que este segundo tendr una
diferente geometra, respecto del primero.
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Esquema aletas oreja
Carenados
Carenado o Tapacubo de F1Los carenados, tambin 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 refrigeracin de los frenos ms
eficiente.
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Esquema carenadoDesde entonces, todos los equipos han ido
diseando sus propias versiones, y equipndolas en los monoplazas,
hasta que fueron prohibidos a partir de la temporada 2010 por la
FIA.
Tapacubo del equipo Honda en la temporada 2008La funcin de los
mismos, en un principio, era buscar una mejor refrigeracin de los
frenos del coche, por ello no eran cerrados completamente y se
consegua 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
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carenados. Se dieron cuenta de que imitando una llanta
lenticular en los carenados delanteros, se consegua acelerar el
flujo del aire. Interesante no? Si aceleramos el flujo del aire
conseguiremos que este aire al pasar por la parte inferior de alern
trasero, apndices y dems elementos aerodinmicos reduzca su presin
de manera que en la parte superior la mayor presin generar algo de
carga extra.
Tapacubo o carenado delanteroEn cuanto a los carenados traseros,
poco aportan a la eficiencia aerodinmica y su diseo ms bien se
establece para reducir las turbulencias alrededor de las ruedas
traseras. Que recordemos, que para un ingeniero aerodinmico suponen
(las turbulencias en la zona de las ruedas) un autntico
suplicio.
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Tapacubo o carenado trasero
Cuernos de Vikingo
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Cuernos de Vikingo del Mclaren MP4-22 rodeados en amarilloLos
cuernos de vikingo fueron introducidos por McLaren en la temporada
2006, y fueron los primeros apndices aerodinmicos de esttica
impactante introducidos en un GP, ya que a simple vista resaltan
bastante. Estos se sitan encima de la cabeza del piloto, a lado y
lado de la toma de admisin, por lo que parecen unos autnticos
cuernos de vikingo, de ah el nombre.Estos cuernos fueron diseados
con el simple o complejo objetivo de controlar de mejor manera el
flujo de aire hacia el alern 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 slo los mantuvieron
en BMW Sauber y en Mclaren.
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Esquema de los Cuernos de Vikingo
Morro Canalizado
Morro CanalizadoEl morro canalizado es una revolucin aerodinmica
introducida por Ferrari a principios de la temporada 2008 con el
fin de aumentar la eficiencia (downforce) en el alern delantero.En
un morro convencional, el flujo de aire golpea la parte de abajo
del cono del morro creando una resistencia adicional as como
reduciendo la eficiencia del alern delantero. Por ello, aqu es
donde Ferrari se ingeni 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 ms crtico que la resistencia
adicional que esta configuracin proporciona a la parte superior del
morro. Pero adems, no solamente suaviza el flujo debajo del morro
sino que adicionalmente, crea una zona de baja presin debajo del
morro cuyos efectos beneficiosos, proporcionan un mayor
downforce.
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Esquema morro canalizado. (La flecha azul indica el recorrido
del flujo de aire a travs del morro canalizado)
Doble Alern Delantero
Doble Alern Delantero
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El doble alern delantero, fue inventado por el equipo Mclaren en
la temporada 2007, y constaba de, como su propio nombre indica un
doble alern delantero. Me explico, no es que fuera un doble alern
delantero, sino que era un alern delantero normal y corriente, nada
ms 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 alern delantero con dos
planos superpuestos.
Esquema alern doble de Mclaren 2007Para explicar el
funcionamiento de este, se han de recordar varios aspectos, que
conviene separar y diferenciar, y en algunos casos, unir. Estos
son:1. Flexin.2. Aumento de la Down-Force.3. Canalizacin ptima del
flujo hacia la popa.4. Aumento de la potencia del motor.Como se
ver, algunas se pueden volver contraproducentes, ya que la
normativa tcnica es muy clara: cualquier elemento ha de flexionar
una cierta cantidad o un cierto porcentaje como mximo.Entonces,
Para qu se querra flexionar este dispositivo? En el caso del plano
inferior del alern delantero, el que est ms prximo al suelo, es
evidente, puesto que cuanto ms cerca est del asfalto, ms down-force
generar el coche en s mismo. Pero, en el caso que nos atae, la
cuestin es ms difcil 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
lmites que marca la Normativa), haga que el alern trasero o el
propio cuerpo del coche, genere indirectamente ms down-force. Pero
esta es una cuestin que as, en principio, es imposible de saber sin
conocer exactamente la geometra del coche en su conjunto. Para que
debido a la deflexin en sentido longitudinal
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(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 ms down-force se genere, ms sucio ser el flujo
que reciba el resto del coche.
Alerones dobles de Williams 2008Cabe sealar tambin, que otros
equipos, han adoptado en varias ocasiones soluciones parecidas a
esta. La cuestin que todas ellas tenan un soporte central, para
evitar una deflexin excesiva y por tanto, penalizable. Al no llevar
soporte central el sistema de McLaren, cabe pensar otras cosas,
puesto que sera una solucin sencilla y fcil. El hecho de doblarse
por la parte central, sin cambiar su ngulo de incidencia, slo
modifica el flujo hacia la popa, no produciendo en s mismo, y
directamente, un aumento de la down-force. Si nos ceimos a la
posible modificacin o alteracin del flujo, podemos decir que es
posible adecuar convenientemente el flujo hacia la popa, con el
objetivo de que el alern trasero sea ms eficiente. Tambin es
posible adecuar el flujo, de manera que los pontones generen ms
down-force e incluso, adecuando el flujo se produzca una mejor
refrigeracin del motor. Todos estos casos son muy complicados de
determinar y conocer, si no se ha seguido el diseo desde un
principio, y sobre todo, conocer sus razones y objetivos.
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Alern doble de Ferrari 2008 Quizs poca gente lo sepa, pero el
diseo del casco es extremadamente importante en la cuantificacin de
la potencia del motor. De hecho, cualquier elemento que este por
delante de la toma de admisin, afecta directamente a la potencia
del motor, incluso el pitot. Esto es algo que ser comentado en
lecciones posteriores.Desde este punto de vista, es posible que la
colocacin del nuevo dispositivo, responda a este objetivo, pero es
algo difcil tambin de responder, si no se tiene la geometra
completa del coche Dicho todo lo dicho, una ltima y decisiva
apreciacin: Si aadimos a lo mencionado, la constatacin de que el
ala no posee soporte central, nos daremos cuenta de que lo que se
est pretendiendo es interferir lo mnimo posible en el flujo hacia
la toma de admisin, ya que en caso de existir este soporte,
alterara negativamente dicho flujo. Por tanto y como resumen, dir
que se trata de una solucin aerodinmica cuyo objetivo es aumentar
la potencia del motor, adecuando el flujo hacia la toma de admisin.
Cuantificar en qu grado aumenta dicha presin, como siempre, es muy
difcil sin tener la geometra total del coche.
Variacin del ngulo de ataque del Alern delantero
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Grados de variacin del alern delantero
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Dentro del contexto del reglamento implantado a partir de la
temporada 2009, enfocado a aumentar los adelantamientos bsicamente,
encontramos que el alern delantero sufri muchas modificaciones
como: la neutralizacin del perfil central (adis a los complicados
perfiles ideados por los equipos), la nueva anchura y finalmente el
ms importante (y seguramente la modificacin aerodinmica ms
importante): la variacin del ngulo de ataque del alern delantero
por parte de los pilotos.Al pi de la regla se trata de toda una
revolucin en la Frmula 1, de hecho no es una novedad: la variacin
del ngulo de ataque de los alerones fue prohibido en los setenta
poco despus de la revolucin de la aerodinmica con la entrada en
juego del efecto suelo en la Frmula 1. La razn de que esto sea
revolucin reside en las ventaja que proporciona: al variar el ngulo
de ataque del alern, se modifica el ngulo de incidencia del flujo
de aire limpio que lleva al coche, cuanto ms pronunciado es el
ngulo de ataque mayor es la presin que ejerce el aire sobre el
alern y por lo tanto mayor es la fuerza resultante sobre este, por
consiguiente aumenta el downforce a la par que aumenta la
resistencia aerodinmica. Existen por lo tanto dos consecuencias
ventajosas:
Velocidad Mxima/Downforce Mximo: Brinda la posibilidad de que el
monoplaza alcance la velocidad punta en una recta (ngulo de ataque
nulo) cuando minimizamos la resistencia en el alern y luego
aumentar el ngulo de ataque para obtener ms downforce y realizar a
mayor velocidad las curvas rpidas.
Facilitacin de Adelantamientos: Su uso ms importante (y la
filosofa 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 prdida
de downforce en la parte delantera del monoplaza que termina
traducindose en subviraje para el monoplaza. De esta forma,
ajustando el alern se puede compensar esa prdida de downforce y
evitar en la medida de lo posible el subviraje.
Segn la normativa, los pilotos deben de ser capaces de realizar,
como mximo, dos ajustes en el perfil principal del alern 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
posicin neutral).Control del ala mvilEl modo en que los equipos han
incorporado el alern mvil sobre sus monoplazas viene a ser el
mismo, aprovechando el plano vertical en los extremos del alern
(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 mvil 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 ms pequea.La
mayora de los equipos han optado por la solucin de montar un pequeo
motor enganchado al alern que a travs de un pequeo y sencillo
sistema neumtico se encarga de mover el alern y lo que es ms
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 travs de una varilla que une el motor con
el ala mvil.Cmo primera aproximacin a la dimensionalizacin de dicho
motor (cada equipo ha optado por montarlo en una parte distinta del
alern), podemos considerar una fuerza
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ejercida por el aire de unos 2800 N. Esta fuerza aplicada sobre
la superficie mojada de una de las alas mviles produce una fuerza
aproximada de 300 N significa que el par que debera vencer el motor
sera de unos 150 Nm.Dicha cantidad es la que debe ejercer el motor
de forma constante para aguantar el ala mvil en una cierta posicin
o para llevarla a una posicin fija. La implementacin de un motor de
estas caractersticas no presenta grandes problemas para las
escuderas puesto que el peso de un micro motor neumtico puede
llegar a ser de unos 100 g y su funcionamiento est bastante
extendido.
Difusor Doble El difusor doble, es como su propio nombre indica,
un difusor, que fue diseado 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 cuestin para posteriormente pasar a verla en
funcionamiento en conjunto con el resto del monoplaza.
Doble Difusor del equipo Brawn GPAh 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 detrs 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 atrs a delante y hacia abajo, y
en el centro una especie de V con una inclinacin ms suave.Segn
apuntan por numerosos sitios lo que parece aportar este difusor es
un mayor efecto suelo en el coche. Y alguien pensar Qu es eso del
efecto suelo? Habra que decirle,
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que se revise la leccin en la que hablamos de l, pero de todas
maneras, ya para ahrrale 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 est motivado por un efecto que descubri 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 presin. Produciendose
una especie de succin.Existe otro efecto suelo utilizado en
aeronutica, 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 ms una imagen que mil palabras, aqu una ilustracin
del curioso efecto venturi:
Tubo efecto VenturiBueno, 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 disea un coche basando su
estabilidad y su traccin solamente en ese efecto de succin
aerodinmica, podra pasar que si el coche coge un bache y pierde esa
succin que lo mantiene pegado al suelo, ya nada le retendra en el
mismo y podra salir vola