Dispositivos aerodinámicos

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17012010

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Dispositivos aerodinámicos






En la foto se ve el Ferrari de la temporada 2008, se dice que es el Formula 1 mas evolucionado aerodinámicamente que ha existido nunca.

Empezando por el morro del coche, nos encontramos con la bigotera, que se compone de varias partes, como se ve en el dibujo:

Atendiendo al artículo anterior, tanto el main plane como los gurney ya sabemos cómo funcionan y para qué sirven. A ambos lados del main plane, vemos que se encuentran los end-plates, estos dispositivos son muy importantes, ya que evitan que haya un flujo de aire en el lateral del alerón, ya que el aire tiende a ir desde zonas de alta presión (parte superior del ala) a zonas de baja presión (parte inferior). Si se permitiera ese flujo de aire, tendríamos una pérdida de eficiencia en nuestro alerón delantero. Un efecto menos intuitivo de los end-plates es que nos generan un vórtice, útil para algunos de los elementos aerodinámicos que se colocan a lo largo del cuerpo del monoplaza así como para mejorar el efecto suelo, cómo más adelante explicaremos.

El silly plate no tiene ningún dispositivo aerodinámico asociado a él, ni siquiera lo es en si mismo. La idea es usar la superficie superior del mismo para generar un vórtice o turbulencia que fluya bajo el suelo con la intención de mejorar el downforce del mismo.

La barge board es un apéndice aerodinámico, colocado de forma vertical tras las ruedas delanteras, es realmente importante para la aerodinámica general del monoplaza ya que tiene varias misiones, la de mejorar la refrigeración de los radiadores y el downforce ya que genera un vórtice que nos mantenga el flujo de aire lo más pegado al coche posible y así poder ser utilizado por todos los dispositivos aerodinámicos diseñados para tal fin. A lo mejor está sonando un poco a chino, pero la idea es relativamente sencilla. Imaginad que pisáis con todas vuestras fuerzas un chaco de agua, ésta tras recibir el sopapo tenderá a alejarse en todas direcciones y con un poco de suerte vosotros os quedareis secos, bueno si no tenéis cuidado ¡a lo mejor os mojáis la otra pierna! Pues más o menos eso es el efecto que produce un fórmula uno cuando se lanza a 250 km/h contra una “pared de aire”, el aire tiende a escaparse en todas direcciones, pero al revés que con el charco, el coche, sí que quiere “mojarse” con ese aire, para así poder utilizarlo en su beneficio, generando downforce, en este caso y refrigerando sus radiadores. Pues bien, esa es la misión del barge board, evitar que el aire se escape tras el choque.
En cuanto a los flaps, nos sirven para dos cosas. Primero de todo nos permite cierta regulación de la carga en la parte delantera del coche, estos permiten cierta oscilación bien manual a base de tornillos o bien automática como sucedió este 2009 con la nueva normativa implantada por FIA. Otro de sus cometidos es re direccionar el flujo de aire para que éste no golpee de lleno contra la rueda, ya que estas son las causantes de gran parte del drag total del coche, a menor cantidad de aire llegando a estas, menor drag tendremos.
Por último en el dibujo se observan (con el numero 3) los flicks ups, que en mi opinión lo que realizan es una canalización del flujo de aire hacia el conducto de refrigeración de los frenos.
Si nos desplazamos en el vehículo un poco más hacia atrás, nos encontramos con los Ducks, estos dispositivos, lo que hacen es canalizar el flujo de aire hacia la entrada de aire de los pontones, donde se encuentran los radiadores de refrigeración. Mediante este re direccionado del aire lo que conseguimos es una mayor eficiencia en nuestro motor, ya que termodinámicamente hablando cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas máxima y mínima en el ciclo de combustión, mayor será la eficiencia, pero estos son otros temas que ahora no nos atañen.
Una curiosidad respecto a los Ducks es que normalmente re direccionan el flujo saliente de los flaps (que va hacia arriba), luego general algo de sustentación en lugar de downforce, luego como dispositivo aerodinámico no es que sea muy efectivo, otra cosa es lo hablado en temas de motor y refrigeración.

Yendo un poco más atrás aun, llegamos a los pontones del vehículo, cuya misión aerodinámica no es otra que tratar de empezar a re direccionar el aire turbulento que hemos creado con nuestro alerón delantero y sobre todo con las ruedas delanteras. Hasta el año pasado hemos podido ver como encima de los pontones se situaban cantidad de dispositivos aerodinámicos como chimeneas, alas de diferentes formas y tamaños, etc…
Tratar de explicar todos y cada uno de esos dispositivos es imposible, ya que cada escudería añade lo que necesita para estabilizar lo máximo posible su flujo de aire para que llegue al alerón trasero lo más limpio posible. Aunque hay un elemento, creo que común o muy parecido en todos los coches, que lo que trata es nuevamente de evitar que el flujo de aire golpee las ruedas traseras, generando a su vez drag y nuevas turbulencias. Este dispositivo es el que se ve en la foto, llamado comúnmente “gearbox” wing.

Finalmente nos encontramos con el alerón trasero, del cual se explicaron sus características en el artículo anterior, y que al igual que el delantero tiene end-plates a cada lado para la mejor de la eficiencia aerodinámica. Este alerón trasero, solo busca la generación de downforce al máximo y no tiene dispositivos de re direccionado de aire, ya que las turbulencias que dejamos en el aire no nos perjudican, e incluso pensando que las absorberá el coche de atrás no pueden incluso beneficiar.

Para terminar, el gran protagonista de la temporada 2009, el difusor. El gran amigo del aerodinamicista ya que es capaz de producir en torno al 50% del downforce de nuestro vehículo, sin apenas inducirnos drag, y todo ello pese a las múltiples limitaciones de dimensiones a las que se ve sometido este dispositivo ideado por Lotus. En general este dispositivo lo que hace es sacar la mayor cantidad de flujo de aire posible de debajo del coche, lo que provoca una aceleración bestial en el aire circulante y una caída de presión (efecto Venturi) que nos pega literalmente el coche al suelo.
La explicación es relativamente sencilla, sabemos que a mayor velocidad del flujo de aire, menor es la presión que tenemos en dicha zona, viene siendo lo que ocurre en los alerones, mayor velocidad por la parte inferior que por la superior, por tanto la diferencia de presiones nos genera una fuerza hacia abajo. Esto viene llamándose Presión Dinámica y es una de las partes de la ecuación de Bernoulli, fundamental en el estudio de los fluidos. Dicha presión dinámica viene determinada por la siguiente expresión matemática:

Donde “p” es la densidad del aire y “v” es la velocidad del flujo de aire. La densidad del aire es igual para todos los coches ya que depende de las condiciones climatológicas en las que estemos corriendo, así que ahí no hay mucho que rascar en nuestro diseño. Lo que sí podemos es diseñar una forma que me de la velocidad más baja posible a la salida del difusor para así reducir la presión dinámica.

Supongamos que el “dibujo” anterior es un difusor. Si le aplicamos la conservación de la masa, es decir, todo el aire que me entra por el area 1, me tiene que salir, por narices por el area 2. Nos queda que:
Q1=Q2 (el caudal de aire que entra y sale tiene que ser el mismo), por tanto.
A1• v1• p = A2• v2• p, donde p, es la densidad del aire y por ser constante, como ya explicamos, la podemos eliminar en ambos términos, con lo que nos queda que:
A1• v1 = A2• v2, se ve fácilmente que cuando mayor sea A2, menor será la velocidad del aire en ese punto.
Una vez aclarado ese concepto nos vamos con nuestro amigo Bernoulli que nos dice algo tan simple como que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se conserva. Claro que para él la energía viene siendo la presión, pero por ahora, nos vale:
Pe1+Pd1 = Pe2 + Pd2, lo que traducido significa que la presión estática en la sección 1, más la presión dinámica, tienen que ser iguales a la presión estática en la sección 2, más la presión dinámica en dicha sección. Como vimos mediante la ecuación de la conservación de la masa v2 será más pequeña que v1, ya que A2 es mayor que A1. Si de ahí nos vamos a la expresión de la presión dinámica que también hemos puesto más arriba, vemos que Pd2 > Pd1. Con lo que ya si nos fijamos en Bernoulli, nos lo da todo hecho, y sabemos que Pe1 ¡por narices! Será menor que Pe2, sino no se cumpliría la igualdad. Pues ahí tenemos el porqué un difusor crea downforce. Si os fijáis un poco veréis que el difusor termina debajo del alerón trasero, que como de sobra sabemos es una zona de baja presión, es decir, menor presión que la atmosférica (Pe2 < Patm) y dado que Pe1 < Pe2 ¡imaginaros la baja presión que hay debajo del coche!
Bueno, después de este pedazo de rollo que os he soltado a base de formulas y presiones igual queréis pegarme un tiro, pero confiad, a medida que vayamos profundizando con más artículos todo esto os parecerá chupado.
Como curiosidad decir que los primeros coches que utilizaron el efecto suelo, no necesitaban ningún tipo de dispositivo aerodinámico adicional, ya que el difusor en lugar de ocupar una pequeña parte de la trasera del coche abarcaba todo el bajo del vehículo. Esto provocaba que el agarre en curva era enorme y las velocidades de paso por las mismas también. Pero fue prohibido ya que las aceleraciones laterales sufridas por los pilotos en dichas curvas podían llegar a producir desmayos con la consecuente pérdida de control del coche.
Y ya una vez analizado por encima el funcionamiento del difusor es el momento de explicar el porqué de esos vórtices generados tanto por los endplaes, como por la silly plate. Debido a la aceleración del flujo de aire bajo el suelo del coche hemos generado una gran depresión que nos mantendrá el coche pegado al asfalto, pero el aire que rodea al monoplaza está a una presión superior a la que hay bajo él, con lo que la tendencia, será la de introducirse bajo el fondo plano, para igual las presiones, efecto nada deseado por nosotros (y menos por el piloto) ya que dejaría de haber “succión” al ser la presión de encima del fórmula igual a la que tenemos bajo él. Hace ya unos años, a principios de los 80 el Braham BT46 llevó al extremo el aprovechamiento del efecto suelo, colocando unas “cortinillas” flexibles a los lados para evitar así esa comunicación entre el aire a baja presión que discurría bajo el bólido, con el aire a alta presión que lo rodeaba, creando una especie de canal que lo adhería literalmente al asfalto.
Hoy en día, dichas “cortinillas” están prohibidas y lo que los sesudos ingenieros utilizan para “sellar” el flujo de aire, son esos vórtices, flujos turbulentos de aire que discurren entre el suelo y los laterales del monoplaza, dificultando así la comunicación entre los flujos de aire a distinta presión, mejorando de esta manera ostensiblemente el rendimiento del difusor.
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Alo14

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