09
may
2016
AERODINÁMICA 4: EVOLUCIONAR O MORIR  (PARTE I)

Después de aprender los conceptos es hora de adentrarnos en la realidad.

En anteriores entregas he desgranado los elementos que intervienen en la aerodinámica, mostrando las reglas y fundamentos necesarios para entender cómo se comportan los fluidos, qué es la resistencia y sus diferentes manifestaciones, la importancia de mantener la capa límite controlada y la influencia que tienen las formas geométricas a la hora de diseñar un F1 si se quiere encontrar la ansiada eficiencia aerodinámica. Bien, como ya sabemos gran parte de la  teoría ahora toca ver ejemplos prácticos que ayuden a mitigar dichos efectos.

Una de mis frases de cabecera preferidas dice que sin ciencia no hay futuro. Nadie podrá negarlo pero yo suelo emplear dicha frase desde un punto de vista distinto. Si el futuro está ligado a la ciencia, una mirada al pasado nos permite analizar la evolución que ha experimentado tanto la ciencia como la tecnología con el paso de los años. Eso precisamente es lo que haré. Para ello voy a emplear monoplazas de F1 que han marcado época y centraré la atención en diferentes piezas o conceptos revolucionarios que se han utilizado en ellos con un solo objetivo, ver cómo los ingenieros han evolucionado sus diseños pasito a pasito para intentan dar solución a los problemas generados por la aerodinámica (rotura capa límite, resistencia de presión, etc), elementos  que reducen la eficiencia.

Para no ir dando saltando de un lado para otro del coche voy a utilizar en esta entrega y en la siguiente una pieza en concreto, el alerón delantero para ir analizando los cambios, dejando otras partes del coche para futuros análisis.  Elegir este elemento no ha sido difícil debido a la importancia y complejidad de su estructura, factor que le ha permitido mantener una evolución  más marcada. Vamos a entrar en faena.
En la actualidad el alerón delantero de un Formula 1 es el elemento principal sobre el que se basa el equilibrio aerodinámico de un monoplaza, siendo el responsable de proporcionar agarre aerodinámico al eje delantero (solo él lo puede hacer), y organizar el flujo de aire a lo largo del coche, canalizándolo a los sitios deseados e intentando esquivar los elementos ‘molestos’ como son los neumáticos o los brazos de las suspensiones, piezas  que ocasionan perturbaciones aerodinámicas y por tanto, resistencia.
Su función es vital y de él depende que sea óptimo el rendimiento de otras piezas del coche. Si el alerón no dirige bien el flujo, el resto de elementos destinados a proporcionar carga aerodinámica no trabajarán como es debido, haciendo que el monoplaza sea inestable y nervioso, factores que impiden al piloto obtener el 100% de su montura, reduciendo por tanto las prestaciones del conjunto.
Los alerones actuales son piezas muy complejas pero eso no ha sido siempre así. Para buscar sus orígenes hay que remontarse a la década de los sesenta. En aquellos años los ingenieros de carreras sólo se centraban en la fabricación de automóviles que fuesen "aerodinámicos", y lo pongo entre comillas debido a que no lo eran demasiado. Otro de los objetivos a buscar era reducir al mínimo la fricción, concepto bien conocido. Las continuas mejoras mecánicas permitieron a los monoplazas ser cada vez más rápidos, pero la velocidad trajo un inesperado compañero de camino: la inestabilidad. Los coches comenzaron a ser muy inestables, provocando accidentes espectaculares. El análisis posterior demostró que los vehículos más aerodinámicos (Gran turismo) tenían tendencia a elevarse del suelo cuando circulaban a mucha velocidad. En otras palabras, tenían tendencia a volar, reduciendo considerablemente el agarre mecánico disponible en el coche, sobre todo cuando se trazaban curvas rápidas. La solución llegó gracias al empleo de los alerones.
Como suele ocurrir con las grandes ideas, fue poco el tiempo transcurrido desde su aparición hasta su salto definitivo a la F1. El honor se lo llevó Graham Hill que en el año 1968 pilotó por primera vez en el trazado de  Mónaco un monoplaza de Formula 1, el famoso Lotus 49B que contaba con un modesto alerón delantero unido un sutil alerón trasero. La idea surgió del genio Colin Chapman ayudado por Maurice Philippe y  Tony Rudd que supieron imitar los apéndices empleados en los turismos. Este fue el comienzo de la aerodinámica moderna en la Fórmula 1. 


Hasta ese momento, los coches sólo utilizaban agarre mecánico generado por los neumáticos y las suspensiones. El uso de gomas blandas y neumáticos más anchos permitía a los F1 de la época obtener una buena adherencia a la pista, sobre todo en las curvas, demostrando que este factor era tan importante como poseer un buen motor. El deseo de aumentar aún más la adherencia de los neumáticos condujo a una gran revolución en el diseño de coches de carreras; la introducción del ala invertida, el elemento generador de la carga aerodinámica, una fuerza que permite a los neumáticos  transmitir una mayor fuerza de empuje sin que patinen las ruedas, aumentando así la aceleración.
El nacimiento del alerón trasero obligó a los ingenieros a tener que añadir otro en la parte delantera si querían mantener el equilibrio de fuerzas sobre el monoplaza. Ejercer una fuerza extra en el tren trasero impide que las ruedas delanteras tengan el suficiente agarre ya que se “levantan” con respecto al suelo originando subviraje. ¿Recordáis lo que ocurre cuando tenemos un coche lo cargamos de ocupantes en los asientos traseros? Lo mismo que le sucede al coche de la imagen le ocurre a un monoplaza al que se le coloca un alerón en la parte trasera.
 
Para compensar este desequilibrio se empezó a emplear el alerón delantero. Cuando vieron los beneficios que el conjunto de elementos producía en el coche tuvieron las ideas claras: si aumentamos la superficie del alerón trasero conseguimos mejorar el agarre. ¿Qué creéis que hicieron? Efectivamente, pusieron detrás alas cada vez más grandes y por tanto la descompensación era mayor. En aquellos años no era posible calcular con precisión las fuerzas generadas por el flujo de aire en sentido contrario, y los equipos tuvieron que avanzar mediante el ensayo y error, dificultando la tarea.


En la imagen del Lotus 49C  se aprecia que la superficie del alerón delantero no es excesivamente grande aunque sí tiene una importante inclinación (ángulo de ataque) que aumenta la carga. Su geometría es sencilla, con forma de ala de avión, algo normal en esa época. En ocasiones era imposible compensar en la parte delantera la cantidad de carga creada en la trasera. Para conseguir estabilidad la balanza de fuerzas entre los dos ejes del coche debe de estar compensada si se quiere mejorar realmente el rendimiento. Añadir más alerones detrás no aseguraba mejorar el rendimiento del coche ya que el subviraje creado hacía imposible que el piloto pudiera trazar con normalidad las curvas. Este es un claro ejemplo de que a veces  más es menos.  
Donde si se aprecia un importante aumento de tamaño  es en el Tyrrell cosworth 001, coche que permitió a Jackie Stewart dominar el campeonato mundial en el año 1971. Este modelo abrió las puertas a los futuros coches alas (wing car). El objetivo principal de este diseño no era buscaba la creación de carga sino más bien conseguir geometrías que sirvieran para “cortar” mejor el aire.
 
La superficie del ala es considerable comparado con lo visto hasta entonces aunque su ángulo de ataque es pequeño. Su tamaño parece mayor  visto desde arriba pero realmente sólo los laterales funcionaban como alerón debido a que la parte central seguía albergando los radiadores. En la imagen se aprecia como el Tyrrell 001 utilizaba dos flaps que podían modificar su inclinación para añadir más o menos carga, elementos que tienen gran importancia en la actualidad ya que son los responsables de ajustar los niveles de carga con mucha facilidad.
Los conocimientos en aerodinámica fueron mejorando poco a poco a medida que se aumentó la capacidad de trabajo en los túneles de viento y se iban asimilando conceptos. Estaba claro que tanto las suspensiones como las ruedas delanteras  producían mucha resistencia y lo ideal sería carenarlas pero como sucede en la actualidad estaba prohibido hacerlo. Las mentes pensantes dieron el siguiente giro de tuerca a su imaginación; si carenar las ruedas está prohibido y tenemos que colocar un alerón grande ¿por qué no diseñarlo de forma que el aire pueda sortear con facilidad las suspensiones y parte de las ruedas? Así nació el siguiente paso evolutivo.
 

El  Tyrrell 002 distribuyó los radiadores a lo largo de frontal del coche y carenó esa estructura para reducir la resistencia. Viendo los excelentes resultados obtenidos emplearon el mismo esquema para el Tyrrell 003 aunque reduciendo considerablemente la zona central del frontal para conseguir “cortar” mejor el viento, dejando los extremos aumentados para evitar que el aire incidiera sobre una parte de las ruedas. El concepto wing car  estaba plenamente operativo. El coche mostraba una forma en cuña bien definida haciendo que el todo el monoplaza se comportase como un alerón, optimizando así la eficiencia aerodinámica. Esta geometría se hizo muy popular en los setenta pero en la actualidad nos resulta chocante conocedores de las formas empleadas hoy en día. Estos monoplazas  prescindieron del alerón tal y como lo conocemos para crear delanteras más deportivas.
Bien, hasta ahora los ingenieros habían mitigado en parte la resistencia de forma jugando con la geometría pero seguía existiendo un gran inconveniente: situar los radiadores en el frontal del coche producía una cantidad considerable de resistencia haciendo imposible un diseño efectivo del alerón delantero; pero eso cambió en poco tiempo.
En el año 1970 entró en escena el Lotus 72, otra de las maravillas de Chapman. La base de su diseño perdura hasta nuestros días. Su forma innovadora contaba con el montaje de los radiadores en dos pontones laterales que permitió que el reparto de pesos se moviera hacia la parte trasera, aumentando así el agarre y permitiendo mejorar el flujo de aire. El coche presentaba una línea de perfil en forma de cuña.  Aunque mostró grandes prestaciones, este diseño es erróneo aerodinámicamente hablando como vimos en el segundo artículo debido a los conocimientos limitados de la época. Victimas del desconocimiento centraban el esfuerzo de diseño en la parte delantera intentado mejorar todo lo posible la capacidad de penetración en el aire del monoplaza  pero esa medida produce graves inconvenientes en la zaga. Las turbulencias y succión de cola creada lastraban considerablemente la eficiencia aerodinámica. Aun así, dicha forma permitía penetrar mejor el aire, permitiendo al modelo 72 alcanzando velocidades 20 km/h  más altas con respecto al Lotus 49 montando el mismo motor.

El camino estaba despejado. Sin limitación alguna en la parte delantera sólo había que liberar la imaginación para ir evolucionando el alerón delantero. Hasta ahora todas las innovaciones mostradas en la competición para mejorar la eficiencia aerodinámica iban encaminadas a buscando formas geométricas que redujeran la resistencia. En el modelo 72D empiezan a aparecer algunos detalles interesantes que abren otras vías para conseguir ese objetivo. Por un lado tenemos unos pequeños endplate en los laterales, elemento que ya se empleaban con anterioridad en el alerón trasero y que “dificultan” el intercambio de presiones entre la parte superior e inferior del ala reduciendo así el vórtice de punta de ala, fenómeno que produce una cierta cantidad de arrastre pero si hay que destacar algún elemento innovador ese es sin duda alguna el Flap Gurney, también conocido como Wickerbill).
Si, ya sé, cuesta trabajo verlo en la imagen pero esta pieza es como las buenas esencias, se guardan en frascos pequeños. Cuesta creer que un elemento tan simple produzca una mejora en el rendimiento aerodinámico tan grande en un perfil alar (en torno al 25%), pero así es. Su funcionamiento es bastante curioso y desafía en parte a la lógica de los no iniciados en la materia. El desconocimiento nos hace pensar que la resistencia predominaría tras colocar una delgada tira de metal en el borde posterior de un ala (borde de fuga) en una posición perpendicular a la dirección del flujo de aire. Esa “pared” rompería la armonía del flujo y crearía resistencia. La mayoría de los rivales de Dan Gurney, el padre de la criatura pensaron lo mismo cuando en el año 1971 vieron por primera vez esta pieza montada en un monoplaza que competía en la USAC, un campeonato que existía en los EEUU hasta la década de los ochenta. Durante algún tiempo pudo engañarlos diciendo que su función era evitar que los mecánicos se hicieran daño cuando tenían que empujar el coche pero la verdad era bien distinta. Efectivamente, el gurney flap produce una cierta cantidad de resistencia pero como he dicho en infinidad de artículos anteriores, a veces hay que sacrificar un poco para obtener mucho. 


 El flap Gurney es un tira de aluminio o fibra de carbono que se coloca en el borde de fuga del elemento aerodinámico que se quiere mejorar. El método para aumentar el rendimiento es tremendamente simple aunque cuesta un poco más entender cómo lo hace. La clave está en permitir que la capa límite se mantenga unida a la superficie inferior del ala.
Como vimos, uno de los problemas que se encontraban los ingenieros cuando aumentaban el ángulo de ataque para crear carga era el desprendimiento prematuro de la capa límite. El flujo aerodinámico que se desplaza por la zona inferior del alerón no es capaz de seguir un contorno tan acusado y se despega de su superficie provocando turbulencias, pérdida de carga aerodinámica y aumento de drag. Colocar el perfil vertical al final del ala minimiza los efectos.
¿Cómo actúa el flan Gurney?
Vamos a verlo. La pared crea tres perturbaciones (vórtices o remolinos): una delante del perfil, responsable de la creación de la resistencia pero que ayuda a desplazar hacia arriba el flujo que circula por esa zona del ala y otras dos detrás que producen los beneficios. La clave del sistema está en la orientación de giro de los dos vórtices situados detrás. Cada uno lo hace en una dirección distinta dependiendo de la dirección del flujo que circula a su lado. Esos dos remolinos crean una potente zona de vacío que succiona (atrapa) de manera ordenada a la capa límite del flujo que circula por debajo, ayudándola a mantenerse pegada a la superficie del ala hasta llegar al borde final.


 Dicho de manera simple: El flap gurney "frena" el aire de la parte superior (aumentando de paso la presión del mismo), y crea vacío justo detrás de su "pared". El aire que pasa por debajo tiende a llenar ese vacío, creando una turbulencia que hace que no se desprenda más, y por tanto, mejorando el downforce notablemente.
El tamaño y la altura del perfil dependerá de los resultados que se quieran obtener y las características de la capa límite en el lugar que se utiliza. Su tamaña irá en función del grosor de la capa límite y esa medida dependerá de la velocidad a la que circule el aire. Cuando la velocidad es alta (alerón trasero de un F1 a 300Km/h) la capa límite resultante es estrecha. En este caso el perfil a emplear será pequeño. Si la velocidad máxima alcanzada fuera menor los perfiles tendrían que ser más grandes. En el caso que nos ocupa, el mundo de la alta competición siempre encontraremos perfiles pequeños. 

Como vemos los ingenieros han encontrado en el flap Gurney una potente arma que les permite aumentar el ángulo de ataque de los perfiles minimizando sus efectos y una nueva vía para mejorar la eficiencia aerodinámica. De hecho hoy en día es difícil encontrar un perfil que no cuente con uno, llámese alerón delantero, trasero o incluso difusor.

Sin duda, la mayoría de los grandes avances de la  historia de la competición surgieron en la década de los setenta. El aspecto externo de los coches de Fórmula 1 no se asemejaba demasiado a los monoplazas del pasado. La forma de cuña dominó el certamen, los alerones salían del morro presentando formas muy diversas y de la parte posterior de los vehículos sobresalían gigantescas cajas de aire por encima de las cabezas de los pilotos.
 
Los alerones delanteros aumentaron considerablemente de tamaño, tanto que utilizado por el Ferrari 312T bien podría servir como pala para una retroexcavadora. Su forma de ala invertida y proporciones considerables mejoraba los niveles de carga pero muy lejos de los valores actuales debido al empleo de geometrías bastante simples y era habitual ver a los monoplazas derrapar en las curvas y saltar sobre la pista en los cambios de rasante, imagen que desaparecería definitivamente en 1977 cuando el efecto suelo entro en escena, pero eso será otra historia.

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