07
jun
2016
AERODINÁMICA 5: EVOLUCIONAR O MORIR  (PARTE II)

La aerodinámica se ha convertido en la herramienta principal para explotar las prestaciones mecánicas de un F1. Los primeros pasos que marcaron esta disciplina iban encaminados a reducir la resistencia mediante la implantación de diseños relativamente simples que conseguían ese objetivo, hasta que llegó la gran revolución: el empleo del aire para conseguir carga aerodinámica. Desde entonces ya nada es igual.


Esta transformación fue gracias al esfuerzo, el trabajo y por qué no, la fortuna de un grupo de ingenieros visionarios, hoy conocidos como diseñadores,  que evolucionaron la aerodinámica gracias a la innovación y sobre todo a la competencia que caracterizó la década de los 70 y el principio de los 80, y sirven de cimientos sólidos en los diseños de hoy en día.
El trabajo constante realizado durante más de una década sirvió para ver el nacimiento de los alerones, el concepto de coche ala y el flap Gurney como elementos más destacados pero ninguno de ellos se puede comparar con el potencial que desarrolla el invento que llegaró después: el efecto suelo.

Se puede considerar, sin lugar a dudas que el efecto suelo es el cenit de la técnica. Desde su nacimiento hasta nuestros días nada ha sido capaz de igualarlo. De hecho la aerodinámica no ha experimentado ninguna revolución desde entonces y las constantes mejoras introducidas durante años, por muy espectaculares que nos parezcan (F-duct, doble difusor, etc) se consideran “simplemente” evoluciones en la materia. 

 ¿Quién lo introdujo? Me imagino que a estas alturas ya lo tendréis muy claro si leísteis el artículo anterior ¡Vamos! se admiten apuestas ¿no? claro que sí, fue Colin Chapman aunque para ser fieles a la historia habría que decir que sólo emplearon con acierto conceptos que algunos rivales habían empleado sin fortuna en sus monoplazas. El lotus 78 cambió la historia de este deporte a pesar de que  Chapman y su aerodinamista, Peter Wright no pretendían descubrir el efecto suelo cuando diseñaron el monoplaza. En este caso la fortuna se alió con ellos cuando realizaban una serie de pruebas en el túnel de viento del Imperial College de Londres. En el test se pretendía buscaba la forma y colocación de los radiadores en los pontones de manera que produjeran la menor resistencia aerodinámica pero los instrumentos comenzaron a mostrar valores “anómalos”; parecía que los  pontones se hundían, que se acercaban al suelo. Wright decidió cortar unos cartones y colocarlos en los costados para ver si era cierto que la altura bajaba. ¡Bingo! Encontró la piedra filosofal. Ese golpe de fortuna les volvía a situar en la cima del automovilismo. El análisis de los datos demostró que posicionando los radiadores de una forma determinada y cerrando los costados se obtenían valores de carga extraordinarios (triplicaban a la competencia). Ese fue el origen, luego llegó la perfección.
El modelo 79 se diseñó específicamente para sacar el máximo rendimiento al efecto. La fuerza descendente generada era tal que después de las primeras pruebas decidieron utilizar un monocasco reforzado especialmente para poder soportarlo.
 

El efecto suelo crear, cuando existe, una zona de altas presiones por encima del coche y otra de bajas por debajo de mismo. Para crear ese diferencial de presión es necesario que circule una gran cantidad de aire entre los bajos del vehículo y el suelo; del resto del trabajo se encarga el principio de Bernoulli y el efecto Venturi.  Cuando un fluido se encuentra en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión cuando aumenta su velocidad al pasar por una zona de sección menor. La diferencia de presiones provoca una succión que "aplasta" al vehículo contra el suelo (Downforce), mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.
 

El efecto suelo lo llenó todo en aquellos años y los demás elementos “sobraban” de los coches. El alerón trasero era testimonial, el diseño en forma de cuña dejó de tener vigencia y daba “igual” moldear más o menos los pontones, la carga seguía siendo la misma. Tanto fue así que el alerón delantero en algunas carreras desapareció de algunos monoplazas.

Las prestaciones que generaba el efecto Venturi en esos monoplazas eran brutales sin apenas aumentar la resistencia pero nada es perfecto en la vida, multiplicaba considerablemente la peligrosidad de los mismos. Para potenciar el efecto, el suelo del coche tiene que estar muy bajo, cuanto más mejor. Tan bajo rodaban los monoplazas que  prácticamente rozaba el suelo pero había que tener cuidado, siempre se tenía que dejar una distancia mínima para que el flujo se mantuviera y el sistema funcionase. La necesidad de mantener ese pequeño espacio libre obligaba a los ingenieros a endurecer mucho las suspensiones. Para ello montaban amortiguadores como piedras  que dejaban a los monoplazas con poca o ninguna capacidad para superar obstáculos en la pista. Cualquier bache, cualquier toque hacia que se perdiera la sustentación de manera repentina e inesperada al interrumpirse el flujo de aire que pasaba por debajo del coche o al permitir que entrara aire por los costados cuando se pasaba de manera brusca  por un piano. Está pérdida repentina de carga causó tremendos accidentes que llegaron a costar la vida a varios pilotos.

Como siempre, después de una desgracia llegan las soluciones. A partir del año 1983 todo volvió a la normalidad al prohibir la FIA el uso del efecto suelo. La principal medida para conseguirlo fue introducir la regulación sobre el fondo plano. Esta norma  prohibía el uso de todas las ayudas aerodinámicas que generan carga aerodinámica en la parte inferior de los coches. Bueno, todas no, en el camino se olvidaron del difusor, la versión reducida del “engendro”. El suelo del coche tenía que ser plano, como su propio nombre indica y no podía tener forma curva o de ala invertida. Otra de las medidas que se introdujeron fue la reducción del ancho de los monoplazas. La drástica reducción de carga obligó a los ingenieros a fijar su atención en esos pequeños detalles aerodinámicos que antes carecían de importancia pero ahora ayudaban a buscar parte de las ganancias perdidas. Ese cambio de rumbo permitió la evolución de los alerones. Desde entonces estas piezas aumentaron en importancia, volviendo a ser los elementos principales a la hora de generar carga aerodinámica.
El efecto suelo nunca llegó a desaparecer del todo. El fondo plano y el difusor son descendientes directos de él pero este mismo principio se comenzó a emplear en otras partes del coche para conseguir el mismo objetivo. Hoy en día se sigue utilizando.  El alerón delantero es un claro ejemplo. Diseñados de una manera determinada generaban una cierta cantidad de succión siguiendo el mismo principio. Para conseguirlo los diseñadores aumentaron la superficie del plano principal, le dieron forma curvada, lo fueron acercando cada vez más al suelo para potenciar el efecto Venturi y empezaron a cerrar los laterales con placas terminales, consiguiendo un diferencial de presiones alto. A medida que el diseño fue mejorando las placas terminales crecieron más y más hasta el punto que llegaban casi a tocar las ruedas y el suelo.  
 
En la zaga la historia se complica. Con la nueva normativa eran pocas las opciones disponibles: o se aumentaba la superficie o la inclinación de los elementos que forman el alerón trasero y la mayoría optaron por la segunda. A lo largo de los años la inclinación fue creciendo de manera constante intentando compensar en parte la carga aerodinámica pérdida que lastraba de manera considerable  el comportamiento de los monoplazas al  reducirse el agarre mecánico en las ruedas del eje trasero, pero este aumento de inclinación tenía un inconveniente: se aumenta la resistencia.
En la década de los 80 los conocimientos sobre aerodinámica habían mejorando bastante y prueba de ello fue la aparición del los alerones con perfiles múltiples, la siguiente gran evolución aerodinámica en la F1. Esta medida no era nueva. En el pasado se habían visto alerones múltiples (el 49C los tenía) pero su función era otra: multiplicar la superficie alar y así aumentar los niveles de carga, pero los nuevos diseños tenían una función bien distinta.
La utilización de un ala múltiple nos puede parecer un elemento secundario y sin mucha importancia pero no, varios perfiles alares perfectamente organizados reduce considerablemente la resistencia. ¿Por qué? Vamos a verlo.

En anteriores entregas de esta serie vimos como la geometría de los objetos influía de manera considerable a la hora de generar resistencia. Aumentar la inclinación de un ala (ángulo de ataque) es una forma sencilla y rápida de generar mucha carga aerodinámica pero produce varios efectos negativos:

  •  1 – Un incremento en el número de las partículas de aire que colisionan contra su superficie (resistencia de forma y fricción)
  •  2- Rotura de la capa límite en la cara posterior del ala debido a que el efecto Coanda no es capaz de mantenerlo pegado  a  su superficie, separación que indica el inicio de la formación de remolinos.
  • 3- El vacío creado por la rotura de la capa límite genera succión y por tanto la aparición de resistencia al avance (resistencia por presión).

El objetivo a buscar era claro: conseguir un nivel de carga alto con una resistencia baja y se pusieron manos a la obra. Las mentes pensantes empezaron a buscar el camino a seguir y encontraron una vía. Si en la parte posterior del ala se crea un vacío que perjudica el rendimiento cuando la capa límite se desprende ¿por qué no dejamos pasar una cierta cantidad de aire para que lo rellene? así evitaremos que la capa se desprenda y disminuya  la succión de cola ¿Cómo? mediante una rendija. Esta es la finalidad de las alas múltiples.
Como siempre digo, una imagen vale más que mil palabras. Para enseñaros este efecto os mostraré un par de videos. En ellos se muestran varias pruebas realizadas en túneles de viento con piezas empleadas en la aviación.  En el primer video tenemos un ala simple donde se aprecian las variaciones que se producen en la circulación del aire que pasa junto al ala cuando se modifica el ángulo de ataque. Se observa con claridad como se pasa de flujo laminar ordenado a turbulento y la separación de la capa límite. También se realiza el mismo test pero en esta ocasión con un objeto plano.
  
En el segundo video la cosa se pone interesante. En este caso se muestra un ala simple al que se le ha modificado la inclinación de la parte trasera. Con esta medida se aumenta la carga aerodinámica sin necesidad de variar el ángulo de ataque. Los aviones utilizan este sistema para modificar su sustentación (flaps). Como es lógico, esta actuación genera resistencia pero en un grado menor que si se cambia toda la inclinación del ala.
Si en lugar de emplear un solo perfil alar se utilizaran dos, un grande y otro pequeño en la misma posición se permite que cierta cantidad de aire pase por la rendija situada entre las dos la historia cambia radicalmente.
  
El soplado permite que la capa límite que circula por la parte exterior se mantenga unida a la superficie del ala durante más tiempo, reduciendo así considerablemente la zona de turbulencias como vemos en la comparativa de arriba. Con esta “simple” medida se mejora la carga y se reduce la resistencia.

Una vez encontrado el camino a seguir la ruta parece clara. El concepto “divide y vencerás” es el método más efectivo a la hora de mejorar el rendimiento de un perfil alar. En la práctica, es mejor tener tres planos pequeños que un grande, incluso teniendo un área menor con la suma de los tres, obteniéndose mejores resultados, eso sí, siempre y cuando todos los elementos estén bien ajustados. Añadir más y más perfiles es la tónica general en la F1 actual sobre todo en los alerones delanteros; en los traseros está prohibido por normativa. Es  fácil encontrar en circuitos de mucha cargas coches que cuenten con cinco o más elementos en su alerón delantero.  
Una vez aclarado el concepto volvamos otra vez a repaso histórico. Como he dicho después de la prohibición del efecto suelo todos los equipos empezaron a montar potentes alerones en la zaga y como es lógico tenían que compensar su potencia en la parte delantera. Los primeros diseños que aumentaban las prestaciones de carga en el alerón delantero optaron por emplear el efecto suelo pero fue Ferrari quien introdujo una variante: el perfil  doble. La unión de los dos efectos (suelo y reducción de resistencia) mejoraba de manera considerable el rendimiento.


Una vez comprobado que la medida funcionaba todos terminaron copiándola. Pasados unos años el tamaño del plano secundario aumentó considerablemente, sobre todo en los laterales para ir tomando forma U. Un gran plano secundario es un elemento ideal para generar carga pero hay un inconveniente; desvía el aire hacia arriba e impide que llegue con normalidad a los pontones causando problemas de refrigeración. La forma en U despeja el canal central  facilitando la llegada de aire fresco a los radiadores  a la vez que eleva el resto para intentar sortear los costados de los pontones. La aparición de nuevos elementos empezó a ser constante gracias al la utilización cada vez más intensa de los túneles de viento. Gracias a los conocimientos adquiridos los ingenieros empezaron a darse cuenta que los movimientos que realizaban los monoplazas cuando rodaban por la  pista (balanceo, cabeceo, etc) modifica los niveles de carga de ahí que en  1987 el equipo Lotus presentara la suspensión activa, un sistema  que garantiza un ángulo de flujo ideal, que no es otro que aquel que no tiene cambios. Costó varios años afinar el sistema pero se consiguió. Tuvimos que esperar al año 1991 para ver el impacto real que las suspensiones activas eran capaces de alcanzar.

Fue la época dorada de Williams. Con Adrian Newey como diseñador jefe su sistema arrasó a la competencia cuando consiguieron afinar la fiabilidad. El trabajo de Newey, uno de los grandes genios en la materia empezó a dar sus frutos y prueba de ello fue la aparición de los primeros generadores de vórtices. El todopoderoso FW14B sería el primero en emplearlo como se aprecia en la imagen de abajo. Esta prolongación de la placa terminal canalizaba parte del aire por la parte interior de la rueda, aumentaba la superficie para crear el efecto suelo y generaba un vórtice.     

 

En aquella época la electrónica lo invadía todo. El dominio de los ingleses fue abrumador gracias a ello. Buscando igualar de nuevo la competición la FIA reacciona e introduce una serie de restricciones destinadas a reducir la eficiencia aerodinámica y así garantizar inferiores velocidad en las curvas y mayor seguridad. En 1994, todas las ayudas electrónicas, incluyendo la suspensión activa, se prohibieron tras la trágica GP de San Marino. Sin embargo, los diseñadores siguen compensando con éxito para estas restricciones con las nuevas innovaciones y el desarrollo continuo.

En la década de los 90, la aerodinámica se había convirtió definitivamente en el tema central en el desarrollo de la Fórmula 1. Entrando de puntillas, sin apenas hacer ruido apareció la siguiente gran evolución aerodinámica en la F1: el frontal elevado. El Tyrrell 019 tuvo el honor de ser el primer coche que optó por esta vía. Sus descubridores se dieron cuenta que al colocar la nariz baja se desviaba gran parte del  aire  hacia arriba y eso reducía la cantidad de aire que pasa por debajo del coche. El sistema sigue los principios que permiten elevar un avión del suelo o generar downforce mediante un alerón: crear un diferencial de presiones entre ambos lados del perfil, en este caso parte del habitáculo del piloto. La generación de baja presión se basa en el aumento de la velocidad del aire que pasa por debajo del coche en relación con el aire que pasa sobre y alrededor de él. Dicho de otro modo, efecto suelo aunque en este caso el sistema no está totalmente cerrado.
 

Como sucedía antes cuanto mayor sea la cantidad de aire pase por debajo del coche más rápido tendrá que circular para poder ser evacuado, originando en esa parte del monoplaza una zona de bajas presiones gracias al efecto Ventura y lo que es lo mismo, carga aerodinámica. Para mejorar el rendimiento y facilitar la tarea los ingenieros de Tyrrell emplearon una pieza nueva debajo del coche que hasta entonces nunca había sido empleada: el splitter o también llamado bandeja de té. En esta ocasión no he querido profundizar en el tema y los más despistados no habrán entendido bien el concepto pero no os preocupéis, pienso dedicarle un artículo  próximamente.
Llama la atención la proximidad al suelo que muestra los extremos del alerón del Jordan 191. La creación de efecto suelo en esa zona es máxima pero se corre el riesgo de que entre en pérdida con mucha facilidad.

Levantar el plano principal en la zona central  resultó práctico para facilitar el paso del aire pero se perdía una cantidad de superficie de ala para crear carga. Este diseño se desecho y todos optaron por emplear generalmente dos pilones para unir el alerón al morro. 


Llegados a este punto de la historia casi todos los protagonistas han entrado en escena. Con el paso de los años los ingenieros fueron elevando cada vez más el morro  o reduciendo su geometría para permitir un mayor tránsito de aire por debajo del habitáculo. La entrada del nuevo milenio da nuevos bríos a la aerodinámica. La evolución ha sido extraordinaria, tanto en prestaciones como en elegancia. Una vez asumidos los conceptos lo que se busca el la “perfección”. Obtener carga es fácil, lo difícil es librarla de los elementos negativos (resistencia) y en ese aspecto los equipos invierten muchos recursos e ingentes cantidades de dinero. Aunque nos parezca escaso  reducir la resistencia un 2%  implica que el coche corra más y consuma menos. En una competición donde las diferencias se miden en milésimas de segundo, cualquier ventaja es bien recibida y servirá de base para la siguiente mejora. Grano a grano se hace granero.
Después de pasar "con vida" el famoso efecto 2000 llegamos por fin, en mi modesta opinión a la década dorada de la aerodinámica. La primera década del nuevo milenio llegó marcada por la aparición de infinidad de aditamentos, perfiles, aletines en cualquier parte del coche que dieron a los F1 un aspecto “galáctico”. La mayoría de los equipos ya contaban con su propio túnel de viento y los hacían funcionar hasta 3.600 horas (150 días) por año. Si a esto unimos la inestimable ayuda que supone los programas de diseño asistidos por ordenador (CFD, CAD, etc) el perfeccionamiento de las formas era cuestión de tiempo. Los ingenieros moldean la geometría de las piezas a la carta en función a las necesidades de la pista: si se quiere enviar o limitar la cantidad de flujo de aire en determinadas partes del coche, originar vórtices que lleguen potentes a la zona del difusor, sortear “eficazmente” parte de las ruedas, etc.

 

A medida que se consiguen las mejoras las prestaciones se disparan pero no hay problema,  ahí está la FIA siempre atenta para meter la tijera y reducirlas cuando hace falta. Manos a la obra. Lo primero que hicieron fue elevar la altura mínima de trabajo de los alerones para reducir efecto suelo. Los equipos  aprovecharon una  laguna legal para elevar solo los extremos y dejar la parte central baja. Para compensar la pérdida de carga empezaron a añadir elementos extras en los extremos como se puede apreciar en la imagen del R26. Esos apéndices (precursores de las cajas de flaps) fueron creciendo en tamaño, tanto que llegaron a unirse en la parte superior del morro.
La cantidad de elementos que se fueron añadiendo redujeron tanto la resistencia (sobre todo en las ruadas traseras) y elevaron tanto los niveles de carga que las turbulencias creadas por los monoplazas impedían que los coches situados a la zaga fueran capaces de alcanzarlos, y sobre todo de sobrepasarlo. En una batalla constante que se lleva librando desde hace años entre los equipos y la FIA, ésta decidió atacar de nuevo y cortar de raíz la historia en busca del ansiado espectáculo perdido: los adelantamientos.

La solución: reducción de un 40% en los niveles de carga y medidas para que la delantera del monoplaza fuera menos sensible a las perturbaciones. Era el año 2009. Otra de las medidas fue dejar una zona neutra justo debajo del morro donde no se podía crear carga. El contraataque no se hizo esperar y  los diseñadores aprovecharon la medida para crear morros cada vez más altos que favorecieran el tránsito de aire por debajo del habitáculo, diseños que fueron prohibidos hace un par de años por el riesgo que suponía para el piloto en caso de colisión frontolateral. 
 

 
Pese a que el trabajo de “pulido” ha sido y esta siendo la tónica general en el diseño aerodinámica durante la última década había espacio para que entrara en escena el último de los protagonistas: los generadores de vórtices. Estás piezas, lejos de la revolución que supuso en el pasado otros diseños está brindando una potente herramienta captación y canalización del flujo de aire. Como suele pasar en la F1 el “engendro” ya se había utilizado con anterioridad, de hecho el Williams FW14B lo llevaba como vimos antes pero disfrutaban siempre de un papel secundario. Ahora su caché se ha elevado y son los protagonistas indiscutibles de la aerodinámica actual, de ahí que sea necesario prestarle un poco más de atención, pero eso será otra historia.

 

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