Aerodinámica en un Fórmula 1 BASICO

5/16/2018 Aerodinámica en un Fórmula 1 BASICO - slidepdf.com

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AERODINÁMICA EN LAAERODINÁMICA EN LAAERODINÁMICA EN LAAERODINÁMICA EN LA

FÓRMULA 1FÓRMULA 1FÓRMULA 1FÓRMULA 1

Raúl Domínguez RojasJosé Juan Flores RaposoJosé Luis Mateos CoronaAlberto Portillo GonzálezJaime Vázquez Rubio



INTRODUCCION A LA FORMULA 1

La principal razón para la construcción de un formula 1 es la velocidad. Lavelocidad no es solo un problema de potencia motriz, un coche con un mal diseñopuede tener un mal agarre sobre la pista, y nunca ganar una carrera. Para incrementarel agarre, es necesario aumentar el coeficiente de rozamiento entre el neumático y lapista, incrementando la carga vertical sobre el neumático. El trabajo del ingeniero deaerodinámica es diseñar una carrocería que maximice la fuerza en dirección al suelo,fuerza descendente y minimizar la fuerza a la que eso se opone al movimiento

(resistencia), resistencia aerodinámica.La forma aerodinámica de un formula 1 ha ido cambiado, sucesivamente,

haciendo una de las principales prioridades, en el proceso del diseño. Como resultado,los ingenieros especializados en aerodinámica se han hecho parte esencial del equipo.

Hasta 1958, los automóviles de carreras habían evolucionado, basándoseprincipalmente solo en la potencia de los motores y el peso de los vehículos. Losautomóviles en aquellos entonces eran producto del poderío de la industria alemana ylos producidos por los artesanos italianos.

Uno de los hombres que mas contribuyo al desarrollo de la ingeniería en los

vehículos de carreras fue Colin Chapman, ingeniero aeronáutico, y fundador de Lotus,



fabricante de coches deportivos, aportando revolucionarias ideas derivadas de susestudios aeronáuticos. Ejemplo el Lotus 25 con el chasis monocasco:

Y la aparición de alerones en los coches de Fórmula 1, durante el G.P. deMónaco en 1968. La aportación más genial, o como mínimo la que más ríos de tintageneró, fue la introducción del concepto "efecto suelo" con su Lotus 78.

En 1978 Lotus pensaba que habían resuelto este acertijo eficazmente cuandosu diseñador. Meter Wright, descubrió el efecto suelo. Con ello Lotus podíaincrementar el nivel de downforce mucho más que sus rivales. Aunque el concepto yahabía sido utilizado por el Chaparral 2j de Jim Hall.



Por aquel entonces los coches ya habían sufrido una gran transformación en sudiseño, desatándose una carrera en busca de elementos y formas aerodinámicas quepermitieran al vehículo tener mas agarre en las curvas y velocidad punta en las rectas.

La aerodinámica fue adquiriendo progresivamente mas importancia en eldiseño de los coches a partir de la aparición de perfiles aerodinámicos a finales de losaños 60, dando lugar a una carrera de innovaciones en el diseño de vehículos, así comolos artilugios que utilizaban para mejora la aerodinámica, aunque no todos daban elresultado buscado.

Finalmente, los cinco parámetros fundamentales en determinar la potencia deun formula 1 fueron:

- fuerza motriz- peso- downforce

- resistencia aerodinámica- agarre de neumático

Con la aparición de nuevas tecnologías, (túneles de viento, programasinformáticos,..), materiales y sobretodo con la gran cantidad de dinero que ingresabanlas carreras fue posible la investigación y desarrollo de la aerodinámica del automóviladaptándose a las nuevas reglas que regulan la competición impuestas por la FIA.



FUERZAS AERODINÁMICAS Y SU FUNCIONAMIENTO

Fuerzas Aerodinámicas:

Existen básicamente, 3 fuerzas: la fuerza de sustentación (lift), la de resistencia(drag) y momentos en general; éstos últimos, se definen como el producto de ladistancia del punto de aplicación de determinada fuerza al centro de gravedad de laestructura, por la propia fuerza ejercida sobre dicho punto.

Sustentación- la DownForce (sustentación negativa) es la responsable de la adherenciade los neumáticos, así como en la reducción del tiempo de paso por curva.

Resistencia- reduciéndola, se consigue aumentar la velocidad. Hay que recordar queambas fuerzas son dependientes, y esta dependencia, hay que tenerla en cuanta

siempre: si se aumenta la downforce, se aumenta la resistencia.

Venturi / Bernouilli

Prácticamente ya se ha definido; existen 3 tipos de energía; la potencial (por cota oaltura), la cinética (por velocidad) y la de presión; al tener que conservarse, en todoproceso, la cantidad total de energía, la suma de las 3 energías, ha de permanecerconstante. Esa es la ecuación o principio de Bernouilli; de esta forma, si la presiónaumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa; ya se sabe, la presión es inversa a lavelocidad.

El efecto Venturi, también es una consecuencia directa: si en cierto fenómeno pordonde pasa el aire, hay un cambio de sección, por ejemplo de mayor a menor, lacantidad de aire que entra ha de ser la misma que la que sale (cosa lógica por otraparte), con lo que por la sección mayor, la velocidad del aire será menor que lavelocidad del mismo aire al pasar por la sección menor. Esto es el efecto Venturi: alaumentar la velocidad, la presión disminuye y viceversa. Bajo este principio, se puedeentender y comprender la sustentación de un ala cualquiera (o perfil aerodinámico engeneral):



Efecto suelo

Aplicando el principio de Bernouilli a la competición en f1 se consigue llegar alefecto denominado “efecto suelo”, por el cual se intenta optimizar las corrientes queatraviesan el vehículo para general mayor downforce, es decir, mayor adherencia al

suelo.

Si se supone un coche cuyo suelo está sellado totalmente; dicho coche no tendráfuerza significativa en sentido vertical (hacia arriba o hacia abajo) solo aquella debida ala forma del propio vehículo; si se sella la popa del suelo únicamente, se generará unaalta presión en la parte inferior, haciendo que el coche tenga mucha fuerza desustentación, levantándose hacia arriba; si por el contrario, se ella únicamente la proa,obtenemos el efecto contrario (deseado) que es el de generar downforce. De estamanera el efecto suelo consiste en acelerar el flujo del aire bajo el coche dándole másvelocidad y así más adherencia.

El típico suelo con el que se puede encontrar en la mayoría de coches utilitarios, esel plano. En la competición para optimizar la circulación de aire y su depresión, yproducir escasa resistencia por ejemplo, se puede suavizar el contorno del suelo delvehículo, tanto en la proa como en la popa

Por último y como optimización total, se puede inclinar el suelo con respecto alasfalto, de manera, que la abertura de entrada sea menor que la abertura de salida; deesta forma se aumenta la depresión que reina en el suelo, aumentando la downforce;y además se creó filamentos llamados “faldillas” en los laterales del suelo para nodejar escapar el aire y así multiplicar el efecto suelo.

Es muy importante hacerlo así y no al revés, puesto que se corre el riesgo de hacervolar al coche, en el caso de un bache o algo parecido.

Aun así este efecto conlleva demasiado riesgo, por lo cual fue prohibido habiendoocasionado algunos accidentes, entre lo mas recordados está el que sufrió elcanadiense Gilles Villeneuve, que tras chocar su rueda delantera con un Ferrari, elvehículo “saltó” por los aires causando la muerte del piloto.



En la actualidad a consecuencia de la prohibición de este fenómeno, se usan otroselementos para controlar la salida del flujo en la popa como dicha técnica masmoderada o el difusor; un túnel que es colocado en la parte baja y trasera del vehículoque juega el papel de acelerador del flujo que atraviesa el suelo del coche. El 40% de lacarga aerodinámica la da la forma del difusor interno.

Resistencia

La Resistencia es la fuerza que se opone al movimiento en el aire. La resistenciatotal que se opone al movimiento de un cuerpo es la suma de: La resistencia del perfil,la resistencia inducida y la resistencia parásita. La resistencia total es primariamentefunción de la velocidad.

La resistencia al avance es la provocada por el perfil con su fricción con el aire. Estano cambia significativamente con la variación del ángulo de ataque, pero seincrementa moderadamente con el aumento de la velocidad.

La resistencia inducida es la resistencia producida como resultado de la producciónde sustentación. Altos ángulos de ataque, que producen más sustentación, producenalta resistencia inducida. La resistencia inducida es una de las fuerzas aerodinámicas

opuestas a la sustentación.La resistencia parásita es la producida por todos aquellos componentes no

generadores de sustentación.

Capa Límite

En la evolución del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, dicho aire se pega sobreel cuerpo, creando una capa muy fina de moléculas en principio. Al discurrir sobre estafina capa, más moléculas del mismo aire, y debido a la viscosidad principalmente, éstasúltimas ralentizan su velocidad, debido a que discurren sobre otras moléculas; así capa

tras capa, se forma una capa de moléculas de aire, cuya última, posee ya casi la mismavelocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite;



técnicamente se define capa límite y su espesor, como el espesor a partir del cual, lavelocidad es del 99% del flujo real.

En cuerpos relativamente pequeños como lo es un coche de competición, sueletener como máximo unos pocos milímetros, y ni tan siquiera tanto.... todo depende de

la longitud del cuerpo, en relación al sentido de la dinámica; por esta razón, en trenesy al final de ellos, la capa límite puede llegar hasta 0.5 metros; de hecho y si se pudierahacer, se podría sacar la mano al final y sobre el techo de este último vagón, y apenasnotaríamos la velocidad del aire.



EVOLUCIÓN AERODINÁMICA DEL VEHÍCULO

Al diseñar un coche de competición se llevan a cabo distintas pruebas aerodinámicaspara determinar datos como los coeficientes aerodinámicos (sustentación, resistencia,

etc.), la distribución de presiones sobre la carrocería y la visualización del flujo del airealrededor del automóvil.Existen dos tipos de ensayos: las pruebas en pista y la simulación en túneles devientos.

Simulación CFD:

Una simulación CFD (Codes Fluids Dynamics) no es más que simular, visualizar, calculary determinar a priori, cuál será la dinámica del fluido y del coche, antes de tenerlo

construido.

Para ello, es necesario e imprescindible, disponer del modelo, pieza o coche en sutotalidad, en formato CAD, o al menos, en aquel formato que requiera y necesite elsoftware CFD que usemos.La estructura básica de un CFD, es la siguiente:

a) Preprocesador: la parte del programa que dibuja adecuadamente el diseño y loadecua al CFD; se encarga de preparar el problema a resolver.b) Procesador: la parte del programa que resuelve el problema.

c) Post-procesador: la parte del programa que visualiza y analiza los resultadosobtenidos.

Problemas:

Los problemas son diversos; en un primer lugar la definición o planteamiento delproblema a resolver es complicada y difícil; es necesario disponer de una amplia basede datos de ensayos reales sobre el problema, para que de esta forma, la simulaciónpor ordenador sea todo lo fiable que se quiera (no se trata de generar un abanico decolores, que queda bien, no lo niego, pero es inútil....); dichos datos iniciales se

denominan condiciones iniciales y condiciones de contorno; por otro lado, cuanta másexactitud se requiera o necesite, más complejo tendrá que ser el software usado y laplataforma hardware que utilizaremos para correr el programa, así como más tiemponecesitaremos invertir (tiempo de cálculo) para obtener las soluciones.

Otro de los problemas fundamentales es el mallado de la geometría; en definitiva,cuando intentamos resolver cierto problema, tenemos una geometría, la cual, entérminos puramente matemáticos, está compuesta por infinitos puntos; obviamente,ningún ordenador ni software que exista en la actualidad y en ningún futuro, es capazde procesar “infinitos” puntos; para ello, lo que se hace es discretizar el espacio, de tal

forma que en lugar de infinitos puntos o nodos, usamos sólo unos cuantos (enocasiones varios millones); para generar estos nodos, se realiza el mallado del espacio



o problema. En la mayoría de ocasiones, si se pretende obtener unos resultadosfiables, con mucha exactitud y precisión, el mallado no es una tarea nada fácil, y sólo alalcance de especialistas en el tema.

Ventajas:

Las ventajas son obvias: el tiempo necesario a invertir para desarrollar cierto diseño, esextremadamente corto, comparado al usado hace unos pocos años. Por otro lado, elcambio de geometría de un diseño, implica una pequeño cambio en el formato dedibujo correspondiente, pudiendo repetir la simulación en breve espacio de tiempo.

Proceso de simulación:

El proceso de toda simulación, es el siguiente:1. Obtención del diseño en CAD (o formato de dibujo que sea capaz de leer y tratar el

software CFD que tengamos y vayamos a usar).2. Elaboración, descripción, cálculo preliminar con métodos CFD potenciales (sin teneren cuenta la viscosidad o la turbulencia), conocimiento de las condiciones iniciales y decontorno, del problema a resolver.3. Mallado de la geometría.4. Resolución del problema.5. Análisis de las soluciones.6. Vuelta (o no), al paso 1.

Aplicaciones y Prestaciones:

Las aplicaciones son múltiples y muy diversas; en resumen, se refieren a todos loscampos, en los que la dinámica de cualquier fluido, es esencial y es parte del problemao solución; parte de ellos, también son los problemas termodinámicos (refrigeración,por ejemplo, tan importante en el mundo de la competición):



Por otra parte y como complemento a un buen diseño o análisis CFD, se encuentra elanálisis estructural; toda dinámica de cualquier fluido, provoca esfuerzos, torsiones,deflexiones, momentos y fuerzas en general, sobre los materiales y estructuras de losque se compone el problema o coche a resolver; podemos, a partir de los resultadosCFD y mediante un software especial, analizar y conocer todas esas fuerzas para de

esta forma, añadir refuerzos donde convenga, a conocer a priori los límites de rotura, olas deflexiones, etc....

Pruebas en túnel de viento

La ventaja de las pruebas en un túnel de viento es que los datos aerodinámicos losproporcionan los instrumentos del propio túnel, sin embargo, para que la simulaciónse ajuste adecuadamente a la realidad es necesario hacer algunas correcciones. Acontinuación se explican y se proponen soluciones a los problemas típicos:

• Simulación de suelo móvil: la necesidad de simular el movimiento del cocherespecto al suelo reside en las variaciones de espesor de la capa límite delsuelo. Estas diferencias afectan a la sustentación del coche e impide calcular uncoeficiente fidedigno. Existen varias formas de contrarrestar este efecto: elevarel modelo por encima de la capa límite, succionar el aire delante del vehículo o

crear una placa de succión debajo de él.



• Rotación de las ruedas: Como se dijo en el apartado anterior, las ruedastambién aportaban resistencia y sustentación al vehículo, por lo tanto, senecesitan unas ruedas rotatorias, al igual que en la realidad, para que elresultado sea bueno. Para lograr el efecto de movimiento deseado se montanunas estructuras rotatorias bajo las cuatro ruedas y se sincroniza la velocidadde éstas con la velocidad del viento. Los huecos se sellan con materialesflexibles para impedir la circulación de aire bajo las ruedas.

Pruebas en pista

La ventaja de las pruebas en pista reside en que parámetros como la velocidad máximao el radio mínimo de giro pueden ser fácilmente evaluados.Las principales dificultades de este tipo de pruebas son dos: la limitación de espaciodisponible en el vehículo para transportar instrumentos de medición y que, alcontrario que en los túneles de viento, no se tiene control alguno sobre las condicionesatmosféricas.



Medida de la sustentación

La técnica tradicional para medir la sustentación se basa en la observación del nivel delos amortiguadores durante el rodaje. De este modo, la distribución de cargas en cadarueda es directa, pero no tiene en cuenta la sustentación creada por las propiasruedas. Este inconveniente se salva probando diferentes configuraciones del aleróntrasero y comparándolas entre sí.

Medida de la resistencia

El método más común para evaluar la resistencia total del coche es la técnica dedeceleración (en inglés, Coast-Down Test) que consiste en medir el tiempo de paradadel vehículo partiendo de una velocidad inicial sin aplicar el freno y dejando suelto almotor. Es una forma eficaz y sencilla con la que el coeficiente de resistencia se calculaevaluando los efectos inerciales del coche (2ª ley de Newton).

Distribución de presiones sobre la carrocería

En este caso el método no varía entre una prueba en pista y en un túnel de viento. Sele practican pequeños orificios a la chapa que se conectan con transductores(dispositivos capaces de transformar una energía entrante en otro tipo de energía) quemiden la energía mecánica producida por la presión. De este modo se mide la presiónestática local, pero para obtener el coeficiente de presión necesitamos también lapresión dinámica, que puede medirse con tubos de pitot.Los principales inconvenientes de esta prueba son: el espacio limitado parainstrumentos y la posibilidad de que se obstruyan los orificios con arena y pequeñosinsectos.

Flujo del aire

Éste es un ensayo fundamental de cuyos resultados puede depender unareestructuración total del vehículo. Se dividen en dos tipos de pruebas:



Sobre la superficie: pequeñas varillas de pegamento hilado se unen a la carrocería porun extremo y se dejan libres por el otro, orientándose en la dirección del viento.Bajo la superficie: unos dispositivos colocados bajo la chapa desprenden humo por losorificios de la carrocería. La prueba es similar en un túnel de viento.



PARTES DE UN FÓRMULA 1 Y SU FUNCIONAMIENTO

En esta sección vamos a hablar sobre las distintas partes de un Formula 1 ycomo afectan al rendimiento del coche, siempre aerodinámicamente hablando. Elcoche lo dividiremos en los siguientes apartados que son: Alerones (delantero ytrasero), ruedas, deflectores, difusores, chimeneas, suspensiones, casco, retrovisores.

ALERONES



La interacción de un alerón con el coche es muy importante, ya que seencargan prácticamente de toda la sustentación del vehículo y sin ellos los fórmula 1no podrían tomar las curvas a la velocidad que lo hacen. De hecho, la sustentacióninducida por la presencia de un alerón en el coche puede ser tan grande como lasustentación del mismo alerón.

Los alerones, como se puede ver a simple vista tienen una proporción muypequeña frente al coche, particularmente los alerones traseros. Una propiedad de estetipo de ala de baja proporción es la retrasada entrada en pérdida, lo que quiere decirque el ángulo de ataque de este tipo de alerones puede ser incrementado más de loesperado, sin tener una repentina pérdida de sustentación.

Posicionamiento de los aleronesActualmente, los fórmula 1 de hoy en día se limitan a tener dos alerones uno en

la posterior del coche y otro en la anterior, pero esto no ha sido así siempre y se hanrequerido años de estudio para estudiar la posición ideal de estos. En la siguiente

comparación se puede ver el análisis de varios prototipos con diferentesposicionamientos de los alerones. Algunas configuraciones testadas y sus coeficientesaerodinámicos son mostrados en la siguiente imagen (sólo unos pocos fueron testadosa escala real).

La primera conclusión a primera vista es que los alerones montados en elcentro (entre los dos ejes) son menos eficientes que los que están montados o en laparte delantera, o en la parte trasera. En términos de controlar la proporción desustentación delantera/trasera, el concepto de dos alerones (Nº 7) parece de ser elmás eficaz y fácil de ajustar. El alerón central (Nº 4) parece no trabajar tan bien debidoa la desfavorable interacción del alerón con el coche. Además, la estela formada por elalerón central reduce la eficiencia del alerón trasero, causando una localización delcentro de presión del vehículo demasiado adelantada. El concepto de ala delta (Nº 3 y

6) parecen funcionar solo cuando se les aplica un alerón trasero. Con un alerón situado



detrás del ala delta (como en 6), el alerón trasero es totalmente inefectivo debido a laestela del vórtice creado por el ala delta.

Pantallas de extremidad: Dado un alerón, se sabe que sobre el extradós, se produce una baja presión;

evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula esta zona, se introduzcaen ella, para aumentar la presión:

Se puede observar los vórtices de extremidad dibujados. Esta circulación deaire, hace que lo que se suponía que generaba sustentación negativa (que era

justamente esta depresión) o deja de existir o disminuye drásticamente; para evitar talefecto, se colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que impidenesta circulación no deseada de aire desde las zonas de alta presión, hasta las zonas debaja presión. Algunos aviones, suelen tener esta pantallas también sobre todo, si laenvergadura es corta, cosa que no pasa si la envergadura es grande, conocido comowinglets.

Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de tamaño, de estaspantallas, radica el truco; no es necesario que el diseño de dichas placas sea cuadradoo rectangular, por ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga másfalta su presencia, sean más grandes.

Sujeción de un alerón:

Hemos visto que dada la peculiar forma de un alerón, la fuerza total desustentación (el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de presión) yde resistencia (inseparables), provoca una fuerza de rotación del alerón; es necesariotener en cuenta esta fuerza y dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buensistema de anclaje de los alerones; de esta forma, se evita problemas de rotura poruna mala fijación, y esfuerzos extras en los mismos alerones, que también puedendesembocar en una rotura del mismo.

Existen muchos tipos de fijación de los alerones, tanto traseros comodelanteros:



Alerón delantero

Los coches de competición que poseen el motor detrás, que son casi todos(Fórmula 1 y Fórmula GT por ejemplo), necesitan que la proa del coche generedownforce, para que los neumáticos delanteros tengan agarre sobre el asfalto. Detodas formas, existen más razones, como se verá, para la existencia e instalación de losalerones delanteros.

Función:

Las funciones del sistema del alerón delantero, se puede clasificar en 5:

• Generación de downforce.• Separar adecuadamente el flujo de las ruedas delanteras.• Adecuar el flujo que pasa por debajo del suelo y a los pontones de

refrigeración.• Adecuar el flujo a cierta zona del coche (casco del piloto por ejemplo).• Sellar el suelo, por métodos aerodinámicos.

La primera función, es la que habitualmente todo el mundo conoce; de todasformas, las otras 3, son más importantes si cabe, por cuanto son más difíciles de llevara cabo, de una forma óptima.



Las ruedas de un coche de F1, generan, aproximadamente, el 40% de laresistencia total del coche; por tanto, si existe un lugar donde se debe hacer hincapiépara reducir la resistencia, es justamente éste. Para ello, haciendo que el flujo noincida directamente sobre las ruedas, aprovechando que el alerón está por delante, sediseña dicho alerón para que desvíe el flujo alrededor de las ruedas, reduciendo la

resistencia aerodinámica.

Por eso los alerones delanteros se encuentran tan adelantados. Es cuestión demomentos: cuanto más adelantados se encuentren, menor fuerza se necesitará quegeneren por ellos mismos, para que las ruedas posean una downforce determinada.Obviamente, esta posición, está legislada y limitada, por la Normativa Técnica decarrera.

Otra de las funciones añadidas que tienen estos deflectores de flujo delanteros,es la de impedir el flujo de aire desde la zona de alta presión a la zona de baja presión(a modo de pantallas de extremidad); de esta forma, la resistencia de todo el sistema,se reduce considerable y apreciablemente.

En lo que respecta al “efecto suelo”, el alerón delantero, adecúa el flujo que hade pasar por debajo del coche, con el fin de generar downforce, para que se acelere yasí, reducir la presión por la parte inferior y provocar la “succión” del coche.

En este efecto, también tiene influencia en difusor, por cuanto en líneas

generales, el tamaño del difusor ha de ser tanto mayor, cuanto más aire pase pordebajo del coche. Obviamente, el tamaño del difusor e incluso “casi” su geometría,viene muy limitado por Normativa, con lo que el resto viene ya dado y limitado. Detodas formas, existen 2 tipos generales de diseño:

Curvados, en la parte central hacia arriba:



Curvados, en la parte central, hacia abajo:

Mediante este tipo de diseño, es posible incluso, acelerar ya el flujo, antes deintroducirse en la parte inferior del suelo; de esta forma, la eficiencia aumenta.

Por otro lado, cabe hacer mención al hecho de que los alerones delanteros, nohan de dificultar la entrada de aire a los pontones de refrigeración; para ello, en la

parte central de los alerones, no se colocan “demasiadas cosas”, que dificulten oimpidan este flujo:

En las fotos, se puede apreciar que en la zona central, la cuerda es mucho máspequeña que a medida que nos alejamos del centro. Ello es debido a no impedir elflujo de refrigeración, cosa extremadamente importante.

Aprovechando que los alerones de proa, son la pieza más adelantada delcoche, podemos reducir o mitigar, ciertos efectos aerodinámicos que tiene lugar,

aguas abajo. Por ejemplo, se comprobó esta misma temporada, que el R25 de Renault,poseía unas pequeñas vibraciones aerodinámicas que afectaban al casco del piloto,



con los graves inconvenientes que tenía esto; para evitarlas, se optó por modificar elalerón delantero (además de colocar unos pequeños apéndices laterales por encimadel morro) que hacían desaparecer dichas vibraciones o turbulencias, en definitiva.

Es posible, por tanto, aprovechar el alerón delantero y su bancada, para realizar

ciertas acciones o efectos aerodinámicos, que tiene lugar más atrás.

Es posible “sellar” por métodos aerodinámicos, el suelo; de esta forma,estamos “conservando” la depresión que se ha generado en la parte inferior, y que portanto, es la encargada de generar downforce.

Alerón trasero

La función del alerón trasero es bastaste más sencilla que la del aleróndelantero. Su única función es la de proporcionar sustentación al coche, consiguiendola mejor relación L/D posible, jugando con el numero de planos que posea o con eltamaño de las pantallas de extremidad. En la siguiente gráfica se puede ver unacomparación de la eficiencia del alerón según el número de planos que se le añada aeste:



También es muy importante tener en cuenta la influencia provocada por lasruedas, ya que la estela producida por estas puede reducir drásticamente la eficienciadel alerón, y para ello se tiene que procurar un buen diseño de las pantallas deextremidad para intentar aislar el alerón del flujo proveniente de las ruedas. Acontinuación podemos ver una gráfica en cómo afecta la inclusión de una pantalla deextremidad a un alerón trasero de un Indy car .



RUEDAS

Las ruedas son uno de los componentes que más influye en la aerodinámica delvehículo. Por ello, uno de los aspectos más importantes de estas es entender lainfluencia de los efectos superficiales en los coeficientes aerodinámicos del cochecompleto. Esto puede a menudo ayudar a explicar las diferencias entre los resultadosbasados en túneles de viento a escala reducida, con modelos simplificados (ej. Ruedasque no están en rotación) y los datos actuales en carrera.

Primero, considerar el simple flujo sobre un cilindro. Las trazas del humo de laslíneas de referencia de este caso se pueden ver en la siguiente figura.

Las líneas de guía se separan detrás del cuerpo, creando una larga estelaperiódica. Cuando el cilindro está situado contra el suelo (que es al fin y al cabo donde

una rueda tiene que estar), la estela periódica se reduce, pero la gran región del flujoseparado esta todavía presente. Además, la presencia del suelo fuerza una condición



de velocidad cero cerca de la zona de contacto del neumático, que creará sustentaciónen la rueda/cilindro. La principal razón de presentar esta genérica visualización delflujo es para enfatizar la separación del flujo causado por los open-Wheel que generanestelas periódicas que pueden afectar a otras partes del vehículo, y que en ruedasaisladas tendrá una sustentación positiva.

El siguiente paso es observar el flujo sobre ruedas en movimiento. La

naturaleza del flujo no cambia en exceso de lo mostrado anteriormente, pero lalocalización del punto de separación es mucho más representativo en las ruedas de loscoches de competición. El efecto de rotación en la localización del punto de separaciónfrontal (superior) es enfatizado por esta imagen. En una rueda estacionaria laseparación parece estar tras el punto más alto de la rueda (aproximadamente (teta)160º. Aunque para las ruedas giratorias, el punto de separación superior se muevehacia adelante.

Para una rueda giratoria, el punto de separación delantero causa una

distribución de presión casi constante tras este punto, lo que se traduce en resistenciay sustentación. Cuando este punto se mueve hacia atrás (por una rueda no giratoria),el coeficiente de presión llega a ser más negativo en la superficie superior (debido a lamayor velocidad debido al flujo local unido), causando más sustentación, mientras queuna presión negativa adicional tras la rueda causa más resistencia. Así basadas estasobservaciones, es de esperar que las ruedas giratorias tengan una menor sustentacióny resistencia que una rueda estacionaria. El caso de que un cilindro giratorio creesustentación (o downforce en este caso) es llamado a veces el “efecto Magnus” y esteprincipio es usado para crear la trayectoria curvada o el efecto que se le da a un balónde futbol, beisbol, golf, etc.



DEFLECTORES O GENERADORES DE VÓRTICES

Los generadores de vórtices fueron usados durante muchos años en aviones,principalmente para controlar el flujo de la capa límite. Normalmente, el tamaño deestos pequeñas laminas generadoras de vórtices eran en proporción a la anchura de lacapa límite local y servían para añadir momento a la capa límite (para prevenir laseparación de la corriente del aire, etc.). En el caso que interesa, para los coches decompetición, la aplicación de la forma del generador de vórtices es similar; aunque, susefectos de la dinámica del fluido son bastante diferentes.

Las láminas deflectoras, usadas entre las ruedas delanteras y las tomas de aire,

reduce potencialmente la resistencia provocada por las ruedas y mejorando laventilación a los pontones laterales. Si a estos deflectores se les añade un planohorizontal bajo la zona de mayor presión puede también contribuir a generar algo dedownforce.



Esta simple idea de los VGs fue usada de muchas formas durante los últimos 20años y algunas de sus formas más destacadas son las mostradas en la siguiente

imagen.

DIFUSOR



El difusor esta generalmente en la parte trasera del vehículo, detrás de la líneade eje. Está diseñado para guiar y controlar la corriente de aire que circula debajo delautomóvil, esencialmente crea un efecto de succión sobre la parte trasera del coche.El difusor simula un tubo de Venturi, haciendo que la presión debajo del vehículo sea más baja que la compresión en el punto de salida ya que la velocidad del aire de abajo

del coche será más alta que la velocidad del aire en el punto de salida. El difusor debeser diseñado cuidadosamente, ya que sus dimensiones son limitadas por las reglas decarrera y su ángulo de convergencia restringido.

CHIMENEA

Las chimeneas son unos componentes relativamente nuevos en la f1.Estánsituadas sobre los pontones de ventilación. La función principal es la de proporcionarun enfriamiento adicional al motor. Su funcionamiento está basado en la creación de

una gradiente de compresión. El aumento de la velocidad del aire sobre la chimeneacrea una región de baja presión que succiona el aire de los pontones laterales y elradiador, ayudando al enfriamiento del motor.

Es curioso que esta temporada se esté empezando a ver chimeneas con lassalidas de aire completamente tapadas, con lo cual su función deja de ser para larefrigeración y tener algunas ventajas a efectos de aerodinámica. Actualmente noexiste mucha referencia sobre qué ventajas puede ofrecer y de momento solo sepueden dar especulaciones.

SUSPENSION



En los últimos años, las partes de la suspensión se han aerodinamizado enforma de lágrima. Ya que las reglas no permiten que estos elementos generendownforce, ya que si no se podrían considerar elementos aerodinámicos móviles. Sóloson preparados aerodinámicamente para que generen menor resistencia al flujoexistente y mantener la dirección de la circulación para los pontones laterales

generando la menor resistencia posible.

CASCO

)

Los cascos de los pilotos tienen una función clara y concreta: la protección de laintegridad de sus propietarios. No obstante, siendo esta la aplicación primaria de loscascos integrales, que se utilizan en la mayoría de las disciplinas deportivasautomovilísticas, no hay que olvidar el principio básico de toda competición. El casco,

como elemento indispensable y necesario, hay que diseñarlo de forma que actúe deforma beneficiosa en alguna medida.

Dado el lugar donde se ubica el casco, se puede, en principio, hacer que actúeen 2 aspectos:

Adecuando el flujo hacia la toma de admisión. De esta forma se puede obtenerhasta 5CV mas de potencia al refrigerarse mejor el motor, gracias a una mejorcanalización del aire hacia las tomas.



Adecuando el flujo de aire hacia la popa (alerón trasero y difusor). En este caso,la eficiencia del alerón trasero y también del difuso, aumentan de forma considerable.

Si se pretende canalizar de forma idónea el flujo de aire hacia la toma de admisión,el diseño del casco ha de permitir un flujo superior enfocado hacia la toma deadmisión, teniendo en cuenta una desviación de flujo no necesario o excedente.

Si se pretende canalizar el flujo de forma adecuada hacia la popa del coche, el

diseño ha de permitir un flujo a su alrededor con baja resistencia, siendo la popa delcasco zona importantísima para que el flujo no sea turbulento o cause alteraciones enel mapa de presiones o turbulencias periódicas.

Por si fuera todo esto poco, notar lo siguiente: en un coche de GP2, la variación detan sólo 2 cm de la altura del casco, produce una variación de 5 kilos en la resistencia;al fin y al cabo, estos kilos de resistencia son caballos de potencia que se restan.

RETROVISORES

Este es uno de los elementos en el coche sobre los que no podemos suponerinfluencias aerodinámicas sobre otros elementos; también es cierto queabsolutamente todos los elementos de los que se compone un coche, sondependientes unos de otros, en mayor o menor medida.

Para la aerodinámica del coche, los retrovisores sean posiblemente, junto conlas ruedas, el mayor “estorbo” debido a la resistencia que generan. Por eso losingenieros se esfuerzan de diseñarlos y colocarlos en el coche de la forma que generemenos resistencia al aire. Se ha podido ver en los últimos años como poco a pocomuchos equipos han ido alejando los retrovisores de la cabina (véase Ferrari) hasta

ponerlos a los extremos de los pontones laterales. Muchos pilotos se quejan de tales



medidas ya que dificulta gravemente la visión trasera del coche, y en algunos Formula1 como Renault, han tenido que recolocar dichos retrovisores en la cabina.



FIA (federación internacional del automóvil)

Antes de a 1904, los países y clubes automovilísticos que organizaban carreraslo hacían siguiendo sus propias reglas y condiciones. Era casi imposible organizar

carreras internacionales, ya que no se disponía de reglas en común.El Automóvil Club más influyente de esos tiempos decidió acabar con una

situación que impedía el desarrollo del deporte-motor, creando una organizacióninternacional que se encargaría de establecer las reglas por las que todos se regirían,aplicables en todo el mundo. Esto llevó al nacimiento de la Fédération Internationalede l'Automobile (FIA), que pudo así garantizar a los pilotos, independientemente de sunacionalidad, que las reglas serían siempre las mismas aún corriendo en escenariosdiferentes como, por ejemplo, Francia, Italia, Bélgica, o Mónaco.

En 1950 la FIA instituyó el Campeonato del Mundo de conductores. La FIA es elorganismo encargado de regular las carreras, así como de establecer las normas de

construcción de los vehículos y velar por el cumplimiento de dichas normas.

La FIA, como órgano encargado de la regulación de la formula 1, va adaptandolas reglas a los nuevos tiempos y tecnología. Así desde sus inicios como se acaba dever, van cambiando las reglas para hacer de las carreras un espectáculo entretenido yseguro.

Con el paso del tiempo los equipos están llegando al limite de las posibilidadesde los vehículos, siendo la diferencia de unos a otro muy escasa y llegando a hacer delos adelantamientos algo casi imposible, produciéndose una carrera monótona y poco

atractiva, solo a las expectativa de un fallo humano en la conducción, repostaje o delmotor. Por ello la FIA va cambiando las reglas, para que de esta forma los equipostengan que rediseñar e innovar tanto en los vehículos como en las estrategias a seguir.

En lo que a aerodinámica se refiere, algunas de las normas que la FIA, imponees que todos los elementos aerodinámicos, deben estar fijados al vehículo y no tienenque tener ningún grado de libertad, de ahí por ejemplo que las barras de suspensión,aunque aerodinámicamente tienen forma de gota de agua, son de perfil simétrico.

Regula la dimensiones del vehículo así como sus partes y distancia entre algunade ellas (alerones, distancia mínima y máxima al suelo, distancia entre ejes, etc.…)

A lo largo de su existencia la FIA ha modificado las normas, en base a la

seguridad de los participantes y espectadores, así como para mayor espectáculo de lascarreras.

Georges Boillot ganando el Gran Premio de Francia de 1912.



1961-1965 se prohibieron las carrocerías cuyas formas cubrieran las ruedas.Desde 1969Después del grave incidente ocurrido a Jochen Rindt y Graham Hill

en el GP de España de 1969, fueron regulados también los apéndices aerodinámicos yalerones. Hasta aquel momento, sus dimensiones eran excesivas y montadas enposición muy elevada. Después de esta intervención, el punto más alto de la

carrocería, es decir el alerón, no podía encontrarse a una altura superior a los 80 cm.respecto al punto más bajo de la estructura suspendida del vehículo. Detrás de lasruedas anteriores, la carrocería no podía superar la anchura de 110 cm. En cualquiercaso, la anchura del frontal (apéndices o carenados aerodinámicos, no debía superarlos 150 cm.

Desde 1983 Fueron prohibidos los extractores aerodinámicos situados bajo elfondo de los monoplazas. El fondo de los vehículos debía de ser plano, en particular lazona comprendida entre la parte posterior de las ruedas traseras y la parte delanterade las ruedas anteriores. Fueron prohibidas las faldillas y cualquier apéndice

aerodinámico situado entre el cuerpo del vehículo y el suelo. El alerón posterior sedebía instalar 10 cm. más alto para consentir una mejor visibilidad a través de losretrovisores. La anchura de este mismo alerón se vio reducida a 100 cm. La distanciaentre el eje de la rueda posterior y la parte más retrasada del alerón trasero se vioreducida a 60 cm.

GP España 1969



Desde 1997. Se prohíben los triángulos de suspensión carenados y tambiéncualquier efecto de apoyo aerodinámico que puedan crear. Prohibidos los alerones enel capó-motor, que introdujeron los McLaren en el '95.

Desde 1999. Limitación de la anchura de los neumáticos delanteros en 305 mm.

Diámetro máximo de la goma: 660 mm. Diámetro de la llanta: 330 mm.

Actualmente la FIA esta barajando la posible modificación del vehículo para quelos adelantamientos sean mas factibles. Dos de esos cambios son la introducción dealerones flexibles y CDG (Centreline Downwash Generar).

Alerones flexibles:

La FIA podría aprobar pronto el estudio de alerones flexibles para incorporarloslegalmente en la Fórmula Uno a partir del año 2011. La Federación está apretando

mucho a los equipos para hacer un cambio radical de cara a la próxima década.

El alerón delantero y trasero de los F1 podrían estar controlados

electrónicamente, pero aún no se ha definido los límites en la FIA.

Esto serviría parapermitir la reducción de 'drag' (resistencia) en las rectas, ayudando a mejorar laeficiencia del combustible y recuperar la eficiencia aerodinámica durante las curvas, enlas frenadas y en las aceleraciones de tal manera que los tiempos por vuelta seríanespectaculares.

CDG (Centreline Downwash Generating Wing)

La investigación es de la propia FIA con la ayuda de su socio tecnológico AMD, y sepresento a la Comisión de la Fórmula Uno en Londres. La intención era que entrara aformar parte de la Regulación Técnica de la Fórmula Uno en 2008



Según la Federación este tipo de alerones facilitaría los adelantamientos alcrear menos turbulencias que los alerones actuales. Los F1 se ven limitados en los

adelantamientos al depender en exceso del apoyo aerodinámico generado por losalerones. El coche perseguidor necesita del apoyo aerodinámico de los apéndices paratomar las curvas y la proximidad con un rival afecta negativamente al aire que el cocheusa para generar apoyo aerodinámico, necesario para tomar rápidamente las curvas ypoder adelantar.

Con esta solución los F1 prácticamente no generarían turbulencias y los cochespodrían adelantarse con mayor facilidad. El nuevo alerón elimina prácticamente porcompleto las turbulencias ya que consigue que la presión del aire se estabilicerápidamente una vez haya pasado el coche, consigue lo que se conoce como airelimpio

El objetivo por tanto es la de facilitar los adelantamientos tan perjudicados porel rendimiento aerodinámico de los monoplazas. Este alerón crea una estela en la queel coche perseguidor genera más carga con menor resistencia, al contrario que ahora,que es muy difícil seguir al de delante en curvas rápidas porque se pierde el apoyo enel alerón delantero. Va combinado con unos neumáticos más anchos y lisos que los

actuales.



Las críticas de algunas escuderías y la dudosa efectividad del ingenio obligo a laFederación a dar marcha atrás en su proyecto. Varios equipos expresaron sus dudasacerca de la efectividad de la medida, por lo que la Federación, decidió estudiar mejorel caso y posponer su introducción.

INNOVACIONES Y CURIOSIDADES

Desde los comienzo, los mecánicos, ingenieros, pilotos han intentado que susvehículos fueran los mas rápidos, creando coches con mas o menos efectividad. Todaesta carrera desatada en el diseño de vehículos así como artilugios y dispositivos parahacer al vehículo aerodinámicamente mejor, ha llevado a una evolución del coche dela formula 1, quizás al principio impensable. Algunos de los vehículos y dispositivoscreados han sido desechado por su poca eficacia, otros por el contrario han sidoaceptados y se han adaptado hasta nuestros días, he incluso algunos desechados en unprincipio se ha vuelto a implantar por algunos equipos con mas o menos acierto.

Como muestra de la evolución:

Brabham. Los alerones estaban montado directamente sobre la suspensión, con lo quehabía que reforzarla en exceso, llegando a estar casi rígida siendo prácticamente elúnico amortiguador entre el coche la pista la goma de los neumáticos. En otrasversiones el ángulo de ataque de los alerones, era modificado en plena carrera,mediante un dispositivo por el propio piloto.

Brabham bt46. Con turbina trasera, cuya misión era la de succionar el aire entre elvehículo y el suelo creando un fuerte efecto suelo. Su uso fue prohibido por la FIA, por

las quejas de los otros pilotos que alegaban que cuando circulaban detrás expulsabagravilla y les impedían adelantarlo.



Lotus 78, utilización del efecto suelo sin otro dispositivo que la aerodinámica delvehículo. Fue imbatible.

Salida en el gp Italia en 1971, se puede observar la variedad de diseño en una mismacarrera, los 70 fue la época con mayor auge en aerodinámica en las carreras

Lotus 80:



Durante los últimos años, especialmente durante la década de los 70 seprobaron toda clase de dispositivos extravagantes como alerones muy exagerados,tomas de aire imposibles o mecanismos que llevaran el efecto suelo al límite. Con lasprohibiciones de la FIA cada vez se han ido moderando toda esta clase deinnovaciones.



Algunos de estos avances tan agresivos, en su gran mayoría pueden resultar unfracaso, como la “walrus nose” de Williams, que en español sería algo así como “morrode morsa.

Este morro sobre papel parecía una excelente idea, ya que era mas recortadoque un morro normal y su anchura y forma permitía un flujo mas favorable por elfondo del coche. Sin embargo su pequeño tamaño y su posición tan retrasada dabamuchos problemas de equilibrio y de mal reparto de peso, siendo finalmente uncompleto desastre.

Aunque también ha habido avances que han resultado un éxito como el alerón

puente que incorporó McLaren el año pasado, que aparte de generar más downforceredirigía de una forma mas eficaz el flujo del aire hacia los pontones, dándole hasta 10CV mas de potencia al motor.



Este año se han añadido ya un buen número de dispositivos innovadoresaunque todavía está por ver su efectividad.Renault con capo en forma de aleta tiburón:

Alerón llamado oreja de elefante probado por el equipo honda:

Morro de Ferrari abierto para dividir el fluido:



BIBLIOGRAFÍA

• http://www.automotor.xl.pt/• http://www.f1technical.com

• http://www.formula1.com

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ferrari• http://www.thef1.com/destacados/tecnica• http://aerodyn.org/• http://www.f1latam.com/foro/viewtopic.php?t=146&postdays=0&postorder=a

sc&start=800• http://es.wikipedia.org/• http://www.fia.com/• Técnicas de Competición Paso a Paso – Timoteo Briet Blanes• Race Car Aerodynamics – Joseph Katz• Formula 1 Technical Analysis 2004-2005 – Giorgio Piola

Aerodinámica en un Fórmula 1 BASICO

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