Blog CEIM

Fuente: (Plaza, 2019)

En el mundo de las carreras de automóviles sea cual sea su categoría (stock, resistencia, arrancones, etc.) se tiende a pensar que lo más importante para ser el más rápido es la potencia del motor así como la velocidad punta del carro, pero la verdad es que independientemente de donde se corra, esto no es lo único importante, tanto así que con una buena configuración aerodinámica un auto con menos potencia y velocidad punta le puede ganar a uno con más caballos. Esto es gracias a la aerodinámica (específicamente la carga aerodinámica y la fuerza de arrastre) debido a que hay que transmitir dicha potencia al suelo de la forma más eficiente posible, recordando de que se corre a través del aire, el cual, es un fluido; y si es bien aprovechado, se pueden obtener mejores resultados con gastos menores en el ámbito general.

Fuente: (Álvarez, 2017)

"La aerodinámica es para los que no saben fabricar motores"-Enzo Ferrari 1960. Error de pensamiento de Enzo Ferrari ante la falta de relevancia sobre el estudio y aplicación de la aerodinámica en los autos a mediados del siglo XX en comparación con las pruebas aerodinámicas de un Ferrari F1 moderno.

Fuente: (Utrilla, 2018) 

Ej.: Un auto con una forma que genere menos resistencia al aire necesita menos potencia para lograr una velocidad dada.

Ahora, en lo deportivo, es importante que el auto sea rápido en las rectas, pero siempre va a llegar un punto donde estas se acaben y empiecen las curvas, es aquí donde los autos de fórmula 1 son los reyes indiscutidos debido a que son capaces de frenar después de todos, acelerar más rápido y de tomar dichas curvas a velocidades muchísimo más altas que un auto diferente, mejorando así los tiempos de vuelta de manera significativa.

Fuente: (Oriol, El EFECTO SUELO y el Fondo Plano en la FORMULA 1, 2018) 

No obstante, toda la aerodinámica se entiende gracias a la mecánica de fluidos, ya que el aire es uno, y para ser más específicos, en la ecuación de continuidad de Bernoulli en conjunto con el tubo de Venturi.

Bernoulli demostró que la energía de un líquido ideal que circula por un conducto cerrado es igual a una constante, la energía del fluido permanece constante sin importar su presión o su velocidad. En conjunto con la primera ley de la termodinámica que dice que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Pase lo que pase, si la presión del fluido aumenta, su velocidad de este disminuye. Lo que aplicándolo al aire queda tal como “el aire rápido tiene mayor presión y el aire lento tiene menor presión.”

La forma más clara de visualizar este fenómeno es mediante el tubo de Venturi.

“La presión es baja en las posiciones donde la velocidad del flujo es alta, y la presión es alta en las posiciones donde la velocidad del flujo es baja.”

Lo cual da como conclusión de que modificando el área por donde pasa el aire a través del auto, se modifica su velocidad, y por ende su presión con respecto al aire de los alrededores o encima del auto, el cual, al tener más presión, empuja el auto hacia abajo; haciendo que este funcione como un ala de avión invertida por medio de sus alerones.

Experimento curioso de comprobación: si se quiere demostrar de forma visible, práctica y económica el principiode Bernoulli se puede simplemente usar una hoja de papel, pegarla a algo que arroje aire (sea un secador o la misma boca) y soplar la parte superior de la hoja y ver que esta tiende a levantarse o curvarse hacia arriba (al contrario del pensamiento común que es de curvarse hacia abajo); otro experimento es juntar dos tiras de papel de tal forma de que quede muy poco espacio entre ellas, e igual soplar por dentro de estas, se podrá apreciar que tienden a pegarse al contrario de separarse porque el aire en el exterior va más lento y por ende con mayor presión que el que pase por dentro de las hojas.Fuente: (AUTOTECNICATV, 2019)

Pero ¿qué elementos esenciales mantienen a un auto de fórmula 1 pegado al suelo aplicando toda esta teoría?, simple, en el auto hay muchas estructuras que funcionan por medio de la aerodinámica, sin embargo, las principales partes son: el alerón delantero, el alerón trasero y el fondo del auto en conjunto con el resto de la carrocería, cumpliendo cada uno una función importante en la estabilidad del auto, sin embargo, los niveles de carga aerodinámica se dividen de forma diferente.

Pero primero, hay que tener en cuenta a la pieza clave que conecta al auto con el suelo, los neumáticos. Los cuales dependiendo de la temporada tienen unas medidas (alto, ancho, composición, etc.) dadas que pueden afectar en mayor o menor manera al flujo de aire alrededor del auto debido a su gran resistencia al aire siendo lo ideal cubrirlos por completo, pero se perdería la esencia y apariencia del deporte, debido a esto, los ingenieros hacen uso tanto de los “end-plates” que son mini alerones colocados en el borde del alerón delantero, como del mismo alerón delantero dependiendo del circuito, esto para generar efectos conocidos como el “outwash” e “inwash” los cuales se basan en redireccionar el flujo del aire por la parte externa de los neumáticos (outwash) hacia los bordes de la carrocería y entradas de aire principales del motor, y hacia la parte interna de los neumáticos (inwash) y el fondo plano del auto haciendo que este no choque directamente con los neumáticos y se logren evitar turbulencias excesivas, no obstante, el outwash genera zonas de baja presión alrededor del auto que pueden afectar al auto que lo persiga se encuentre con aire “sucio” perdiendo carga aerodinámica y por lo tanto haciendo más difícil el adelantamiento, lo cual beneficia al piloto perseguido pero no es muy bueno para el espectáculo ya que los fans quieren ver son adelantamientos y no simplemente autos dando vueltas dando como resultado que los directivos de la fórmula 1 traten de minimizar dicho efecto por el bien del espectáculo. Gracias a esto, es por lo que controlar ambos efectos es de vital importancia si se desean controlar las turbulencias alrededor de los autos.

Fuente: (Navarro, 2018)

Fuente: (Oriol, CFD (Computational Fluid Dynamics), 2018)

End-Plate señalado con circulo rojo en el McLaren MCL33 de 2018 y simulación de ANSYS del comportamiento del flujo de aire alrededor del auto afectado por alerones y neumáticos.

Función y distribución de la carga aerodinámica sobre las partes de un fórmula 1. 

El suelo del auto lo que más oculto está a plena vista, pero lo que mayor efecto tiene sobre el downforce que se recibe. 

Fuente: (Motorsport.tv, 2017) 

Gracias a todo esto, se obtiene un agarre mayor por parte de los neumáticos, los cuales tienen que ser capaces de soportar las inmensas cargas tales como 6.25G de fuerza hacia abajo que sumando que el peso de un formula 1 es de aproximadamente 728kg (según el reglamento de 2017), da un total de 4512.5kg de fuerza apoyando el auto al suelo, permitiéndole así tomar las curvas increíblemente rápido a pesar de recibir también fuerzas G supremamente altas al momento de tomarlas o de frenar, las cuales dependiendo del circuito pueden ir entre 2G-6G en un paso por curva o frenada, lo cual genera un desgaste notable en los neumáticos, así como también que los pilotos tengan que entrenar bastante, sobre todo la zona del cuello, para poder resistir vuelta tras vuelta sin perder el control y la visión. 

No obstante, toda esta carga aerodinámica (downforce) va ligada con una fuerza de arrastre (drag), las cuales están relacionadas, ante mayor downforce, mayor drag y ante menor drag, menor downforce, lo cual requiere que los ingenieros y los pilotos lleguen a la relación correcta para así obtener una carrera óptima y ser competitivos. Esto depende del circuito, si se trata de circuitos de alta velocidad y poca carga aerodinámica como el Circuito Nazionale di Monza en Italia en donde aproximadamente el 70% de la vuelta se hace con acelerador a fondo, no es necesaria tanta carga aerodinámica ya que el fin es obtener la mayor velocidad punta posible, sin embargo, el auto será más inestable en las rectas y no podrá tomar las curvas tan rápido, añadiéndole un reto al piloto. Por otro lado, en circuitos de alta carga aerodinámica tales como los circuitos urbanos como el Circuito de Mónaco, la carga aerodinámica si juega un papel crucial debido a que el circuito no cuenta con rectas largas, pero si con muchas curvas estrechas que requieren de técnica por parte del piloto para poder tomarlas de forma correcta, necesitando este de que el auto este bien aferrado al piso y lo más estable posible para no cometer algún error y terminar en el muro.

Aplicando los conceptos aerodinámicos al circuito adecuado de tal forma de que modificando el área por donde pasa el aire a través del auto se modifica su velocidad, y por ende su presión con respecto al aire de los alrededores o encima del auto, el cual, al tener más presión empuja el auto hacia abajo; haciendo que este funcione como un ala de avión invertida por medio de sus alerones. 

En cuanto al fondo del auto, los ingenieros se dieron cuenta que si canalizan bien el aire pueden hacer que todo el auto funcione como un ala invertida siempre y cuando este se mantenga bien cerca del suelo. De hecho, en los años 70 el padre de la aerodinámica de la Fórmula 1 y fundador del equipo Lotus Colin Chapman, decidió llevar este concepto al límite modificando así totalmente el fondo de los autos con la forma de ala invertida, en conjunto con unos pontones laterales supremamente cerca del piso, los cuales en conjunto creaban un túnel de viento ideal para generar una succión impresionante y así girar más rápido. Los demás equipos no tardaron en copiar este diseño.

 

Ejemplo efecto suelo

Fuente: (Oriol, 2018) 

Brabham BT46B

Fuente: (Llurba, 2016)

 

Inclusive, existieron diseños tan extraños como el del Brabham BT46B el cual tenía un ventilador en la parte trasera cuya función era succionar más aire del fondo del piso y también de refrigerar el motor según los ingenieros.

 

Lamentablemente el efecto suelo fue prohibido por la fórmula 1 al darse cuenta de que los pilotos sufrían de fuerzas G extremadamente altas en las curvas y en el caso de un accidente que levantara un poco el auto del suelo, este saliera despedido por los aires generando un peligro inmenso tanto para los pilotos como para los espectadores teniendo en cuenta las pocas medidas de seguridad de la época. 

 

 

Ferrari 126C2 de Gilles Villeneuve en la temporada 1982.

Fuente: (LAT Photographic, s.f.)

 

 

Por desgracia en el año 1982 la leyenda de la fórmula 1 Gilles Villeneuve sufrió un accidente chocando a alta velocidad contra un auto que iba mucho más lento causando que el auto saliera volando y al aterrizar quedara destrozado matando al piloto y dando fin al efecto suelo. 

 

Debido a la prohibición del efecto suelo, los equipos tenían que buscar una solución para obtener mayor carga aerodinámica, teniendo que regirse a un fondo plano con una plancha de madera con titanio que medía la altura mínima del vehículo, dicha solución fue mediante la canalización del aire, la suspensión (activa o pasiva) y el uso de elementos como el difusor el cual expandía el área por donde pasaba el flujo de aire al final del vehículo, lograron obtener lo más cercano al efecto suelo. 

 

Obedeciendo que: P1>P2 V1<V2.; Q1=A1xV1=V2xA2=Q2; siendo “Q” el caudal, “V” la velocidad y “A” el área. 

 

Independientemente del pasado, ya con los avances tecnológicos, la FIA (Federación Internacional del Automovilismo) decidió aprobar nuevamente el efecto suelo para la temporada 2021 de la Fórmula 1, debido a que querían que la aerodinámica tuviera menor base en los alerones frontales y traseros con el fin de generar menos turbulencia que podría afectar y descontrolar a un auto que se encontrara detrás de este, así como simplificar el diseño y estética general del auto de forma general con el fin de que los equipos tengan autos más parecidos pero sin perder dichos equipos la opción de aportar mejoras a los componentes aerodinámicos del auto según permita el reglamento. 

 

Fuente: (Marca Motor, 2019)

 

Prototipo auto de Fórmula 1 de 2021 integrando de nuevo el efecto suelo además de mostrar una simplificación en los diseños de los alerones traseros y delanteros en conjunto con el chasis. 

 

 

Fuente: (ETSEIB, s.f., pág. 11)

 

En cuanto al alerón delantero, la configuración de este tiene que estar equilibrada con la del alerón trasero debido a que, si se tiene mayor carga aerodinámica en la parte delantera del auto con respecto a la trasera, ocurre algo denominado Sobreviraje el cual causa que el auto tienda a girar demasiado y/o perder el control de la parte trasera (esta tiende a seguir en la dirección que venía) ocasionando un derrape o trompo; de igual forma si la parte trasera esta más cargada que la delantera ocurre un Subviraje que causa lo contrario, el auto tiende a seguir la misma dirección y no girar haciendo que se salga de la pista. 

 

En adición, a partir del año 2011 se introdujo en el alerón trasero el sistema DRS (Drag Reduction Sistem) o sistema de reducción de arrastre el cual le permite al piloto “abrir” el alerón trasero y/o dividir sus 2 partes dando como resultado un menor ángulo de incidencia ante el aire, el cual le permite obtener una mayor velocidad punta momentánea cuando este se encuentre a menos de 1 segundo del piloto de adelante y se le felicite el adelantamiento, no obstante, el piloto debe tener cuidado porque el auto al perder el drag también pierde el dowmnforce haciendo el carro más inestable y con riesgo de sobreviraje.

 

Fuente: (Alerón trasero móvil, s.f.)

 

Ejemplo de angulo de incidencia o de ataque del alerón el cual modifica que tanto arrastre y carga aerodinámica hay dependieno de que tan pronunciado esté. 

 

 

 

 

En conclusión, en el mundo de las carreras, la potencia del motor es algo importante, pero si no se puede transmitir a los neumáticos y aprovecharse de forma óptima tanto en las rectas como en las curvas, no es suficiente para ser el mejor. Y en el área de autos comerciales, el tener mayor control, pero a su vez mayor eficiencia aerodinámica, hará más económico y viable el uso del vehículo; simplemente hay que aprovechar a la física de una forma ingeniosa y no temerle a utilizar conceptos que fueron utilizados para una cosa (sustentación que hace a los aviones mantenerse en el aire) de forma opuesta con el mismo beneficio dependiendo de la situación (sustentación negativa que mantiene al auto adherido al suelo). 

 

Referencias

Alerón trasero móvil. (s.f.). Obtenido de Wikipwdia.com:  https://es.wikipedia.org/wiki/Aler%C3%B3n_trasero_m%C3%B3vil

Álvarez, S. (23 de Enero de 2017). 15 citas legendarias de "Il Commendatore", el polémico y genial Enzo Ferrari. Obtenido de Diariomotor: http://https://www.diariomotor.com/noticia/citas-enzoferrari/

Arribas, A. (20 de Agosto de 2019). Todos los circuitos de F1 2019. Obtenido de Vandal: https://vandal.elespanol.com/guias/guia-f1-2019-trucos-y-consejos/circuitos#circuitos-alternativos

AUTOTECNICATV. (3 de Julio de 2019). El ¨Efecto Suelo¨ del Fórmula 1 explicado con 2 papelitos. Obtenido de https://www.youtube.com/watch?v=UX5WCuF97Aw

Emparan, I. (8 de Enero de 2010). Aerodinámica básica aplicada a la F1. Obtenido de formulaf1.es: https://www.formulaf1.es/4620/aerodinamica-basica-aplicada-a-la-f1/

ETSEIB, E. T. (s.f.). Los túneles de viento en la fórmula 1 y estudio de un elemento aerodinámico de un coche. Obtenido de https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/81501/Memoria.pdf?sequence=1&i

Formula One World Championchip. (20 de Febrero de 2019). Pre-Season Testing 2019: What are aero rakes? Obtenido de Formula1.com:  https://www.formula1.com/en/video/2019/2/Pre-Season_Testing_2019__What_are_aero_rakes_.html

LAT Photographic. (s.f.). Motorsport Images. Obtenido de https://www.motorsportimages.com/photos/?driver_id=1444&source=LAT&location_id=

Llurba, L. (11 de Julio de 2016). ¿Qué impide que un Fórmula Uno salga volando? Obtenido de RedBull.com: https://www.redbull.com/co-es/formula-uno-carga-resistencia-aerodinamica-alerones-historia

Marca Motor. (22 de Agosto de 2019). La F1 muestra los coches para 2021. Obtenido de Marca.com: https://www.marca.com/motor/formula1/2019/08/22/5d5ead8022601df3738b458c.html

Motorsport.tv. (29 de Septiembre de 2017). Typical F1 downforce distribution at F1 airflow analysis. Obtenido de Motorsport.com: https://www.motorsport.com/f1/photos/typical-f1-downforce-distribution-14772998/14772998/

Navarro, S. M. (4 de Agosto de 2018). Alerones para 2019: Qué es el “outwash” y por qué no acaba de gustarnos. Obtenido de El acelerador: https://elacelerador.com/alerones-2019-efecto-outwash/?cn-reloaded=1

Oriol. (10 de Agosto de 2018). CFD (Computational Fluid Dynamics). Obtenido de Formula One Atmosphere: https://www.formula1atmosphere.com/aerodinamica/cfd-computational-fluid-dynamics/

Oriol. (19 de Agosto de 2018). El EFECTO SUELO y el Fondo Plano en la FORMULA 1. Obtenido de Formula 1 Atmosphere: https://www.formula1atmosphere.com/aerodinamica/efecto-suelo/

Plaza, D. (27 de Diciembre de 2019). Downforce y drag: qué son y cómo se combinan. Obtenido de Motor.es: https://www.motor.es/formula-1/downforce-drag-que-es-201963589.html

Rodriguez, R. (2016 de Agosto de 2019). Así funcionan las cuatro partes que componen la aerodinámica de un coche de Fórmula 1. Obtenido de Motorpasion.com: https://www.motorpasion.com/formula1/asi-funcionan-cuatro-partes-que-componen-aerodinamica-coche-formula-1

Utrilla, D. (1 de Agosto de 2018). coeficiente aerodinámico (Cx) ¿Qué es? Obtenido de espaciocoches.com: https://espaciocoches.com/coeficiente-aerodinamico-cx-que-es/

AUTOR: Efraín A. Cardozo