10
sep
2015
AERODINÁMICA: ¿CÓMO SE ADAPTA UN F1 A LOS DIFERENTES NIVELES DE CARGA?

La F1 es un deporte donde la carga aerodinámica juega un papel fundamental. Año tras año vemos como los monoplazas llegan a determinados trazados mostrando siempre las mismas configuraciones. En infinidad de ocasiones  hemos escuchado decir que en Mónaco la carga de los coches es máxima y en Monza por el contrario mínima pero en contadas ocasiones se ha profundizado en el asunto.

Aprovechando que acabamos de disfrutar el GP de Italia veremos detenidamente esas diferencias y sobre todo las consecuencias que esos cambios producen. Vamos a verlas.

Máxima carga aerodinámica

El objetivo fundamental de los ingenieros cuando configuran un coche con valores de carga aerodinámica altos es buscar la mejor tracción posible y para ello suelen aumentar tanto la superficie de los alerones (sobre todo el trasero) como la inclinación de los elementos que lo forman.

¿Qué consiguen con eso? Al incidir el aire sobre dicho alerones se produce un empuje hacia abajo que permite a las ruedas transmitir más potencia sin patinar, incrementando la aceleración máxima posible. Cuanto mayor sea la velocidad a la que circula el coche, mayor será la fuerza. Un ejemplo. A 300km/h la fuerza ejercida por todos los elementos aerodinámicos sería similar al peso de un elefante montado sobre el coche.

De esta manera se obtiene fácilmente toda la carga aerodinámica que se quiera pero tiene un inconveniente; se genera exponencialmente un aumento en la resistencia que produce el aire cuando el coche avanza, reduciendo así su eficacia.

Mínima carga aerodinámica

El objetivo ahora es reducir al máximo la resistencia aerodinámica (drag) para que el coche sea veloz en las rectas. Para ello se hace todo lo contrario, reducir la superficie alar y dejarla en la mínima expresión. Inconvenientes, se reduce el agarre mecánico y todo lo que lleva asociado a él. El coche a pasado de cargar a sus espaldas un elefante  a tener un simple ternerillo,  convirtiéndose en  inestable sobre todo en curvas rápidas a la vez que se  pierde mucho tiempo  en las salidas de las curvas lentas al reducirse su capacidad de tracción. También se ve afectada la capacidad de franado. Los coches necesitan más espacio para detenerse debido a la falta de agarre de las ruedas.



Los dos elementos que permiten variar de forma considerable la carga aerodinámica son  el alerón delantero y  sobre todo el trasero. Una manera sencilla de ver como varía la cantidad de flujo desviado con dos configuraciones extremas en los alerones traseros la podemos  apreciar en la siguiente imagen generada por CFD. 


Si os fijáis, en la parte superior se aprecia como un ala con mucha carga  desvía una mayor cantidad de aire. El la parte inferior vemos una configuración de carga muy baja. En ella la cantidad de aire desviado es casi nula.
Aumentar o disminuir la superficie de los dos alerones era el modelo habitual pero la tendencia actual a la hora de modificar los alerones delanteros parece haber variado con respecto a los últimos años. Salvo contadas ocasiones, Ferrari entre ellas todos los equipos han optado por la vía que marcara, como no Red Bull hace algunos años. Vamos a explicarlo un poco.


La carga aerodinámica en un F1 funciona como si de una balanza equilibrada se tratara. Para que el coche sea estable, degrade con homogeneidad las ruedas de ambos ejes, tenga buena tracción y excelente velocidad punta debe de tener compensadas todas  las cargas que se generan sobre él, algo que por cierto es una utopía. Imaginaros que un equipo acierta en su configuración y da en la diana obteniendo un monoplaza ideal para cargas medías. En este caso, el coche irá como un tiro en aquellos circuitos  "convencionales", la mayoría de los que pueblan el campeonato. Como sabéis no todas las pistas son iguales, hay excepciones. Monza, Spa,   Hungaroring o Mónaco son ejemplos de trazados diferentes a la media y en ellos los ingenieros tienen que introducir modificaciones importantes en los niveles de carga si quieren ser competitivos con respecto a pistas como Montmeló, circuito convencional donde los haya. Esos cambios obligan a tener que realizar  una modificación integral en todas las zonas que generan cargas en el coche.


 
Hay un dato muy importante a tener en cuenta, cuando los ingenieros  actúan sobre una parte concreta en la aerodinámica del coche,  también tienen que realizar modificaciones sobre otras si se quiere mantener el equilibrio. De no hacerlo el coche se descompensaría. Según esto,  aumentar la carga aerodinámica en la parte trasera obliga a mejorar la carga en la delantera. De no hacerse la balanza dejaría de estar equilibrada. Para entender por qué son necesarias estas modificaciones veremos los efectos que estas medidas producen en el coche y lo comprenderéis mejor.
 
Imaginaros que estamos en Mónaco  y hay que añadir  ala en la parte trasera.  Este aumento de carga en el alerón trasero genera un mayor empuje hacia el suelo en las ruedas situadas en ese eje (el elefante gana 50 Kg. de peso) descompensando la balanza hacia ese lado del coche y reduciendo el empuje  generado por el alerón delantero.  Cuando el coche circula por las partes lentas del trazado no le afecta  demasiado esta descompensación pero cuando llega a las rectas y sobre todo a las curvas rápidas,  el peso generado detrás es tan grande que bajan la trasera del coche y "levanta" la delantera generando así un subviraje difícil de soportar. Recordar que cuando se da  subviraje la parte delantera del coche no reacciona y tiende a irse recta, hacia el exterior de la curva.

En la vida diaria también nos sucede algo parecido. Cuando nuestro coche está vacío la situación del chasis es  horizontal. Si llenamos el maletero de peso o se sientan muchos ocupantes detrás  vemos como la trasera está más baja. La sobrecarga genera un mayor agarre en las ruedas traseras y un déficit en las delanteras.
El caso contrario, Monza. Reducir al máximo la carga ayuda a eliminar gran parte de la resistencia que producen los diferentes alerones y facilita la posibilidad de alcanzar las mayores velocidades puntas posibles pero hay que hacerlo en los dos ejes. Si sólo se reduce en la trasera tendremos un coche que se pasa de viraje (sobrevirador). En estas circunstancias el monoplaza se come literalmente las ruedas delanteras, tiene un pésimo nivel de agarre en las traseras que las hace patinar fácilmente conduciéndolas al deterioro inmediato.

Por tanto, para obtener estabilidad en el conjunto del coche hay que actuar tanto en el alerón delantero como en el trasero pero en la vida no todo es de color de rosa. Cuando los cambios en los niveles de carga son pequeños los ingenieros compensan fácilmente esas variaciones realizando una serie de ajustes en el setup del coche (variar la inclinación de los elementos que forman el alerón delantero, añadiendo lastre en el morro, etc) pero si los cambios son grandes, las modificaciones también lo deberán ser.

Introducir  cambios importantes en el alerón trasero no genera demasiados problemas pero hacerlo en el delantero tiene más consecuencias de las esperadas. Vamos a verlas.

Si tuviera que escoger el elemento aerodinámico más importante de un Fórmula 1 no tendría dudas,  el alerón delantero. Es la primera parte del coche en entrar en contacto con el aire, distribuye su  flujo por las diferentes partes del mismo y crea una cantidad importante de downforce.

Permitir que el aire pueda sortear las ruedas es una de las funciones más importantes que realiza el alerón y es vital para reducir la resistencia, pero conseguir  que una cantidad importante de ese aire que de otra forma se hubiera perdido sea controlado y llegue canalizado a la zaga del monoplaza no lo es menos. Como sabéis esta pieza genera una serie de potentes vórtices que ayudan a aumentar la carga en la zona del difusor mejorando considerablemente los tiempos por vuelta. 

Obtener un diseño óptimo del alerón delantero es fundamental para el rendimiento general del coche y cualquier modificación que se realice sobre él compromete al flujo de aire que circula aguas abajo. Reducir o aumenta la potencia de los vórtices, según sea el caso obliga a rediseñar la aerodinámica del resto del coche.

La tendencia anterior era crear alerones específicos para algunas carreras (con mayor o menor número de aletines, planos, etc ) que unidos a los alerones traseros producían la estabilidad requerida pero había un problema, en la mayoría de las ocasiones se producía una variación  importante en la tan deseada circulación a lo largo del monoplaza que reducía la eficacia  del difusor de ahí que fueran necesarias muchas horas de trabajo para solventarlas.

En la actualidad hay dos tendencias bien marcadas a la hora de afrontar el diseño de los elementos aerodinámicos a emplear en los trazados que difieren del modelo convencional. Hay equipos como Ferrari que siguen utilizando el modelo clásico (cambios radicales en los dos alerones) y otros que han cogido la senda marcada por Newey hace algunas temporadas en Red Bull y que, en mi modesta opinión es la más acertada.
La idea surgió después de ver como el equipo austriaco tenía un diseño de alerón delantero estándar que variaba poco a lo largo del año, salvo modificaciones que mejoraban el rendimiento.

Con esta pieza consegen enviar la mayor cantidad de aire a la salida del difusor y sobre él sólo se realizan pequeñas modificaciones incluso en pistas donde los niveles de carga son muy diferentes. Si una pieza funciona bien ¿para qué cambiarla? Podéis  ver en la siguiente comparativa del RB10 como el alerón usado en Hungaroring (máxima carga) y en Monza (mínima carga) son prácticamente iguales. En apariencia las diferencias son mínimas cuando deberían  ser grandes como sucede con el trasero. Pero ¿cómo consiguen igualar la balanza? Empleando diferentes elementos a lo largo del coche. Esa es la nueva tendencia en la F1.
 

La función de los ingenieros es jugar con la inclinación de los elementos que forman las alas, varían la inclinación de la trasera del monoplaza con respecto al suelo (rake), añaden o eliminan pequeñas piezas según las necesidades del circuito (monkey seat), y modifican  la distribución de pesos mediante el uso de lastres pero siempre siguiendo un diseño que les permitía alcanzar la "perfección".

De hecho, salvo en Monza donde las especificaciones de la pistas son más radicales, la  gran mayoría de equipos emplean este sistema para ir adaptándose a las diferentes carreras. Las limitaciones impuestas por la FIA en el uso de los túneles de viento hacen necesarias estas actuaciones. Diseñar específicamente una pieza para cada GP del calendario supone gastar unos recursos que cada día están más limitados de ahí que al  "simplificar" el diseño los equipos ahorren dinero y horas de trabajo.

Esto no quiere decir que no se le dedique una atención especial a preparar en el túnel de viento cada carrera o que el diseño base no sea mejorado a lo largo de la temporada, lo que quiero decir es que no tiene el mismo trabajo diseñar, perfeccionar y pulir una pieza totalmente nueva para que funcione en una carrera que modificar ligeramente otra ya existente que se adapte bien a la mayoría de las pistas.

Una vez explicados estos conceptos vamos a ver algunos ejemplos prácticos y empezaré con el equipo Mercedes. Los alemanes han empleado un alerón delantero estándar durante todo el año y sólo lo han modificado para la disputa de la carrera italiana. En la siguiente comparativa vemos con claridad lo expuesto anteriormente. En ella se aprecia como emplean el mismo diseño alerón en dos pistas tan diferentes como son Spa y Mónaco.

La configuración empleada en Monza es muy similar a las anteriores. Han adelgazado las dos alas superiores para reducir así carga y resistencia, permaneciendo inalterados los laterales del alerón que son los responsables de sortear las ruedas.  

Toro Rosso es otro ejemplo de modificación puntual. En la siguiente imagen vemos los dos diseños. El de abajo es la especificación para Monza mientras que el superior es el modelo base. Como sucede en el caso anterior no hay cambios importantes, solo matices. La estructura principal permanece inalterada y son las pequeñas modificaciones en las alas superiores las que permiten la adaptación. Esta es la tendencia general de la mayoría de equipos.


Ferrari en contra sigue el modelo clásico, pero cada vez lo son menos. El equipo rojo gustaba de emplear alerones específicos para las carreras donde los niveles de carga se alejaban del estándar pero cada vez se acercan más a la tendencia general. En la actualidad sólo han preparado un alerón especial para las dos carreras con menor carga del calendario pero mantienen un diseño base para el resto. 

La nueva pieza es más radical que la de Mercedes. Prescinde de la caja de flaps situada en la parte exterior para reducir la carga y deja completamente despejada la cascada que genera el vórtice que pasarán por fuera de la rueda. Los planos principal y secundario (de color rojo) son iguales en ambos casos pero el resto difiere como vemos en la imagen de abajo. 

 
A modo de conclusión decir que nada en la vida es blanco o negro, siempre hay matices  pero si se aprecia una corriente general a la hora de unificar modelos de diseño. La brutal diferencia de rendimiento entre las flechas de plata y el resto de los mortales hace que la gran mayoría de los equipos desechen el proyecto actual y dediquen gran parte de sus recursos en los coches de las próximas temporadas de ahí que la evolución de estas piezas sean cada día más escasas y solo se centren en solventar los posibles defectos de diseño que padezca cada montura.

Salvo alguna evolución importante en aquellos que estén luchando por mejorar en el mundial de constructores, el resto se mantendrá fiel a esta filosofía durante el resto del año como en el futuro, siempre y cuando las limitaciones que marca la FIA sigan en vigor, pero eso será otra historia.
 

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