Tercera entrega del estudio "Desarrollo de la F1", realizado por el español Marc Costa, futuro ingeniero aerospacial y gran apasionado del automovilismo. En esta tercera entrega el autor sigue desarrollando la aerodinámica aplicada a la competición, y se centra en explicar las partes más importantes de un monoplaza de F1.
2.2- El alerón delantero
El alerón de un Fórmula 1 está 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 perturbación. El alerón está diseñado para producir downforce y guiar el aire que se mueve aguas abajo. Flaps y winglets (pequeños alerones y apéndices aerodinámicos) 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 impactará sobre la eficiencia del alerón trasero. La eficiencia del alerón se basa en tres parámetros básicos: el alargamiento, el ángulo de ataque y la resistencia:
- El Alargamiento: La cantidad de downforce producida por un ala o alerón se determina por sus medida. Cuanto mayor sea el alerón mayor downforce produce. Llamamos alargamiento a la relación entre longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la resistencia creada por los vórtices en las puntas de los alerones. El alargamiento es la longitud (la dimensión alargada perpendicular al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensión paralela al flujo).
- El Ángulo de Ataque: La eficiencia de un alerón depende también de la relación downforce/resistencia. La cantidad de downforce generada también depende del ángulo o inclinación del alerón. Cuánto mayor es el ángulo de ataque mayor es el downforce producido.
- La Resistencia: Al incrementar el downforce en un alerón también crece la nunca deseada resistencia. La downforce generada por el alerón trabajo en sentido vertical, hacia el suelo, mientras que la resistencia actúa en la dirección opuesta al flujo de aire.
Figura 5 - Esquema del alerón delantero
En la puesta a punto del alerón delantero, los ingenieros deben considerar lo que sucederá al flujo de aire cuando este viaje aguas abajo recorriendo todo el coche. En un esfuerzo de limpiar el flujo perturbado, se suelen hacer pequeños ajustes en forma de apéndices aerodinámicos o de acomplejización de las superficies en la parte delantera del coche. Las turning vanes (deflectores) se usan para desviar la estela (la estela es un pequeño volumen turbulento de baja presión causado por el paso de un objeto a través del aire que produce resistencia de presión) de flujo turbulento lejos de las ruedas delanteras y el alerón delantero. Este efecto, aleja al aire perturbado de las entradas de los radiadores y de la panza del coche. En los circuitos más lentos también se pueden montar pequeños secciones de verticales en alerón, ineficientes en circuitos rápidos por su producción de resistencia aerodinámica.
Los alerones para las configuraciones de circuitos rápidos son muy pequeños y funcionan más bien como elementos estabilizadores que como generadores de downforce. Dicha configuración es capaz de producir una fuerza de 6.650 N.
Las ruedas delanteras y traseras son la mayor fuente de resistencia de un Fórmula 1. Esto provoca hasta un 60% de ineficiencia aerodinámica (el aporte en la resistencia total suele ser de un 40%). El conjunto del alerón 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 afectará al flujo de aire que se mueve hacia la parte trasera. El equipo de ingenieros tiene que considerar que cualquier cambio en el alerón delantero tendrá un impacto sobre la eficiencia aerodinámica general de todo el coche. Según las palabras de Dave Keenan (jefe del proyecto de CFD de Rahal/Hogan Racing ) de 1992: "El coche en si es un sistema integrado. Si cambias el alerón delantero, cambias el flujo de aire hacia los sidepods y hacia los radiadores. Si tocas algo en las ruedas delanteras, cambias el flujo de aire en el chasis y en el alerón trasero".
2.3- El Chasis
El chasis de un Fórmula 1 está diseñado (nuevamente) para producir el máximo de downforce minimizando a su vez la resistencia. Para conseguirlo la parte superior del coche está diseñada para cortar el aire tan finamente como sea posible, mientras que su parte inferior se diseña para crear una zona de baja presión entre el coche y el asfalto que empuje el coche hacia el suelo. Antaño el diseño de debajo de los sidepods recordaba a un perfil aerodinámico 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, aún así el chasis aún es capaz de producir downforce.
Figura 6 - Primeros Fórmula 1 en utilizar alerones durante los sesenta
El desarrollo del "efecto suelo" empezó en los años 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 Figura 5. 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 rediseño de la panza del monoplaza y se introdujeron los sidepods del coche que contenían los radiadores que introducían el aire debajo del coche hacia sus túneles. Dichos túneles se estrechaban en el centro y se ensanchaban hacia la parte posterior del coche. Tal y como el aire se movía hacia los túneles, se creaba un área de baja presión entre el coche y el suelo. Esto producía que el coche fuera succionado hacia el suelo. Al progresar las pruebas con estos nuevos diseños, los ingenieros se dieron cuenta de que reduciendo el flujo lateral debajo del coche mejoraba aún más 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 aerodinámico pero el organismo regulador de entonces tomó cartas en el asunto.
Actualmente las regulaciones de la FIA estipulan que los Fórmula 1 deben tener un fondo plano y prohíben 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 década tras década ha ganado mucha importancia en la Fórmula 1.
Las siguientes figuras muestran une esquema del chasis.
Figura 7 - Esquema de la vista en planta del chasis
Figura 8 - Vista lateral esquemática del chasis
A pesar de todas estas limitaciones, la geometría de la panza del coche sigue teniendo una importancia vital en la configuración aerodinámica del coche.
2.4- El alerón trasero
La configuración del alerón trasero se determina (de forma incluso más crítica que en el caso del delantero) según el tipo de circuito en el que se corra. Existen según el actual reglamento técnico de la Fórmula 1 tres tipos de configuraciones: baja downforce, estándar y alta downforce. De nuevo el compromiso está en conseguir una óptima relación downforce/resistencia. El alerón trasero de tres alas en cascada (puede asimilarse a una pequeña cascada de álabes) se usa en los circuitos lentos y es capaz de producir una fuerza de hasta 13.000 N que también maximiza la resistencia. El alerón estándar de utilizado en circuitos mixtos está formado por dos alas que producen menos downforce y resistencia. El alerón usado en circuitos rápidos es el más pequeño de todos, consta solamente de un ala casi plana y produce la mínima resistencia.
Al moverse el flujo de aire hacia la parte posterior del coche, este es cada vez más turbulento. La estela del alerón 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 alerón trasero no es tan eficiente como el delantero y aún así este debe generar más del doble de downforce para equilibrar el monoplaza; el alerón trasero está entonces diseñado para producir un alto downforce. Por consecuencia el alerón trasero, junto a las ruedas es el elemento responsable de la mayor parte de la resistencia, de nuevo la clave reside en la relación downforce/resistencia, la downforce es necesaria para entrar y salir rápidamente de las curvas, y la baja resistencia para alcanzar altas velocidades en las rectas. La eficiencia del alerón trasero depende de los mismos parámetros que el alerón delantero (Alargamiento, ángulo de ataque y resistencia).
2.5- El difusor
Hay un último elemento aerodinámico de mucha importancia en un Fórmula 1; 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 geometría tal que mejora las propiedades aerodinámicas del coche optimizando la transición entre el flujo de alta velocidad de debajo del coche con el flujo mucho más lento de la parte superior (a presión atmosférica, contrastando con el flujo a baja presión 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. También proporciona cierto grado de "estela de relleno".
Figura 9 - Contornos de velocidad en una simulación CFD de un alerón trasero
De esta forma el flujo de aire debajo del coche se controla mediante el difusor trasero. Su diseño es de una importancia vital puesto que cuánto más rápido el aire sea capaz de salir del coche, más downforce se produce.
Figura 10 - Esquema del alerón trasero
Figura 11 - Vista esquemática del difusor
SOBRE EL AUTOR
Marc Costa i Sitjà
Nacido el 7 de Noviembre de 1986 en Barcelona
1, Boulevard Picpus, 75012 Paris
www.marccosta.es
En la próxima entrega, cerraremos el capítulo sobre la aerodinámica de los motores hablando de las mejoras introducidas durante los últimos años y algunas conclusiones a las que ha llegado el autor.
