Sobre la aerodinámica y la competición. El resurgir de los coches ala.

 La Formula 1 vuelve, y con ella un despliegue de nuevas técnicas y tecnologías en el plano aerodinámico. Hoy vamos a hablar sobre qué consiste todo esto empezando por unos aspectos generales para después aplicarlo a los coches de competición.

Vamos a comenzar primero por definir el concepto de aerodinámica. Se define aerodinámica como "la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos solidos cuando existe un movimiento relativo entre estos y el fluido que los baña, siendo este último, un gas". Traducido a un lenguaje un poco más llano, la aerodinámica estudia lo que le pasa a un sólido, en nuestro caso, un coche o parte de él, cuando existe un movimiento entre él y el aire a su alrededor.

Ahora vamos a pasar a explicar varios términos generales dentro de la aerodinámica para luego detenernos en todos y cada uno de los elementos de un coche que contribuyen a la aerodinámica.

Lo primero son las dos fuerzas principales que surgen cuando un coche atraviesa el aire. La primera que tenemos que explicar es el drag. Esta fuerza se opone al movimiento del coche, es decir, va en la misma dirección pero en sentido contrario y se explica debido al hecho de que el aire es un fluido viscoso y, al ser atravesado por el coche, genera fricción.

El drag es proporcional a la superficie frontal del vehículo, a la densidad del aire, al cuadrado de la velocidad y al coeficiente aerodinámico. Resulta interesante que la velocidad es crucial, cuanto más rápido nos movamos más fuerza tendremos que vencer. Otro parámetro que es interesante estudiar es el coeficiente aerodinámico. Este es un valor entre 0 y 1 que se obtiene, o bien con experimentación en un túnel de viento o bien con CFD, es decir por ordenador. Es un parámetro que en los coches de fórmula 1 suele ser cercano a su máximo, es decir, 1, esto se explica por la alta carga aerodinámica que se genera.

La otra fuerza que generamos a la hora de hacer que un coche atraviese el aire es el downforce. Esta es una fuerza contraria a la que se generan en las alas de los aviones y su función es pegar el coche contra el suelo para mejorar el paso por curva. En la mayoría de coches de calle esta fuerza no importa mucho y la prioridad es reducir la resistencia aerodinámica (drag), sin embargo, en los coches de competición, donde contamos con una elevada potencia, el drag pasa a un segundo plano (aunque se sigue controlando, y mucho) y prima el downforce.

Para entender el downforce tenemos que explicar un principio fundamental en mecánica de fluidos y que podríamos decir que es el axioma básico de la aerodinámica. El principio de Bernouilli.

Este principio lo que viene a explicarnos es que la presión de un fluido y su velocidad son inversamente proporcionales entre sí, esto se debe a que la energía que tiene un fluido ha de ser constante, luego la suma de su energía cinética (la que posee debido a la velocidad), potencial (la que posee debido a la altura a la que se encuentra) y la energía debido a su presión se debe mantener igual a lo largo del tiempo si aumenta la cinética tiene que reducirse la energía debido a la presión para que su suma sea constante.

Sea por tanto un conducto que, en un determinado punto se estrecha paulatinamente. Por ese conducto circula un caudal de un fluido, pongamos aire, de manera constante. Al llegar a la estrechez, para que el caudal siga siendo el mismo, la velocidad del aire deberá aumentar y, según explica el principio de Bernouilli, su presión deberá descender. Esto es exactamente lo que pasa en el fondo plano de un coche, pero cada cosa a su tiempo.

Ya hemos hablado de las dos fuerzas que nos van a ocupar a lo largo de la entrada y del principio fundamental de la aerodinámica. Ahora me quiero detener en un par de definiciones que iremos utilizando a lo largo del artículo.

Lo primero que tenemos que explicar es el concepto de capa límite. El aire es un fluido viscoso y al entrar en contacto con el coche genera una cierta fricción que hace que el aire que este en contacto con el coche cambie su velocidad hasta tener la misma que él. Por el contrario, el aire que está a una cierta distancia del coche tendrá la velocidad que tendría previamente. La cantidad de aire existente entre a que tiene la misma velocidad que el coche y la que tiene la misma velocidad que tenía previamente se conoce como capa límite. 

El aire confinado en esta capa puede ser laminar, que generará un menor rozamiento, o turbulento, que generará más rozamiento y menores presiones. Por tanto, diseñar una carrocería que aproveche al máximo los dos tipos de capas límite será crucial. Ahora, si os parece vamos a explicar un poco más en qué consiste esto del flujo laminar y turbulento.

El flujo laminar es aquel en el que, como su propio nombre indica, en el fluido se forman láminas paralelas, por el contrario, el flujo turbulento es aquel en el que el fluido no sigue ningún patrón lógico.

Un flujo laminar generará menos presión perpendicular a la superficie del coche lo que hará que se genere un menor drag por fricción y un mayor drag de forma (esto es, el drag que se forma cuando tenemos una zona de bajas presiones). Al contrario, un flujo turbulento generará una mayor presión contra la superficie, ergo más drag por fricción y menos de forma.

De lo anterior se deduce que, en función de la zona del monoplaza nos interesará tener un tipo de flujo u otro para lo que diseñar elementos de la carrocería que modifiquen el flujo de aire de la manera correcta es elemental.

Explicado lo anterior yo creo que ya estamos preparados para explicar de una forma más práctica la aerodinámica en un coche de formula 1 y, si os parece vamos a empezar por la que será la parte más importante de la aerodinámica en 2022, el fondo del coche.

Con los nuevos modelos vuelve el efecto suelo a la parrilla de la formula 1. De esta forma tendremos unos túneles que canalizarán el aire desde el frontal del coche hasta el difusor, generando una zona de bajas presiones que pegará el coche contra el suelo.

Anteriormente, con el fondo plano lo que se hacía era pegar al máximo el coche contra el suelo para tener una zona de espacio muy reducido por la que el aire circulase muy rápido, generando una zona de presión muy baja que pegase al coche contra el suelo. Tras el fondo plano se incluiría un difusor, este sería un elemento que paulatinamente iría modificando las bajas presiones del fondo plano del coche para asemejarlas a la presión atmosférica, permitiendo así que el aire siguiera fluyendo ya que, si de pronto la presión de debajo del fondo plano se convirtiera en la atmosférica, el aire no querría seguir fluyendo. Es decir, su función es asegurar que el aire sigue fluyendo lo más rápido posible.

Los coches de F1 de 2022 sin embargo funcionarán de una forma distinta. Contarán con efecto suelo, que si bien es lo que ya se hacía hasta la fecha con el fondo plano, ahora, en vez del fndo plano, se colocarán dos túneles bajo el coche con forma de ala invertida (como la de un alerón). De esta forma se genera la misma zona de bajas presiones bajo el fondo del coche debido al efecto Bernoulli (el aire circula muy rápido ergo se forma una zona de bajas presiones) y se minimiza el drag en tanto que el aire se va expandiendo más paulatinamente, debido a que con el difusor, al expandirse más burscamente se generaba una fuerte depresión que hace que el coche "se oponga" a avanzar. Cuando más paulatino sea esta disminución de presiones, menor drag tendremos y más limpio será el flujo que quede detrás del coche, esto explica que los coches se puedan seguir más de cerca.

Sin embargo, falta un punto por pulir en esta idea y es que, el aire, como cualquier otro fluido, tiende a ir desde las zonas de más altas presiones a las zonas de más bajas presiones. De esto se deduce que el aire va a tender a fluir desde el exterior al interior de los pontones, disminuyendo la cantidad de carga aerodinámica que se genera. Para resolver esto, el equipo Lotus en el 78 creó una suerte de faldas deslizantes de goma a lo largo de los pontones que deslizaban con el suelo, evitando la entrada de aire exterior y maximizando la carga. esto tenía el problema de que, si una de las faldillas se despegaba del suelo, se perdía subitamente la carga aerodinámica lo que en su momento generó fatales accidentes. A día de hoy la estrategia que se sigue no pasa por las faldillas de goma sino por la generación de una serie de vórtices (flujo turbulento) que sellen los pontones evitando el movimiento de aire desde fuera hacia dentro.

Dejamos atrás el fondo plano y pasamos a hablar de los alerones y, si os parece, comenzamos a hablar por el frontal:

En este elemento nos encontramos con diversas partes, a saber, plano principal, que es el elemento principal y el más grande del alerón y sobre el que se colocan el resto de elementos, tiene forma de ala invertida.

En el alerón nos encontramos también con las aletas o flaps, que se colocan sobre el plano principal en su zona modificable, se colocan a diversas alturas formando una suerte de cascada y su función es desviar el flujo de aire para evitar su choque directo contra el neumático.

Otra parte destacable son los endplates, cuya función es reducir el drag inducido, esto es, impedir que el aire a altas presiones en la parte superior se cuele en la parte inferior de bajas presiones, reduciendo a carga y generando más drag.

Explicadas ya las partes fundamentales vamos, si os parece, a explicar un poco las funciones y el funcionamiento del alerón delantero del fórmula 1. 

Primero, obviamente, se emplea para generar una carga aerodinámica lo más grande posible generando el menor drag que sean capaces. Con la normativa de 2022 sin embargo, la carga que genere el alerón será menor, de ahí que los coches, con la descompensación de carga, vayan a tender a ser más subviradores.

Otra de las funciones cruciales del alerón es modificar el flujo de aire para que interaccione de la mejor forma con el resto del vehículo, es decir, que redireccionar el aire a donde los ingenieros deseen, por ejemplo, lejos de las ruedas ya que, como veremos más adelante, las ruedas son uno de los elementos más problemáticos a la hora de hablar de aerodinámica.

También y una de sus más importantes funciones es generar vórtices, el primero es el que se genera en la parte superior del endplate como consecuencia de que el aire se quiere escapar hacia la parte inferior del alerón (vértice de punta alar). Para evitar que ese vórtice toque contra la rueda lo usual es mover el endplate hacia el exterior. Otro importante vórtice es el que genera la parte inferior del endplate, llamado footplate, se dirige hacia el punto donde la rueda toca el alfalto, reduciendo así el drag y, por último se intenta generar un vórtice muy potente que selle en la medida de lo posible el fondo del coche para evitar que se pierda carga aerodinámica. Esto ya lo explicamos en el aparto de efecto suelo, si conseguimos sellar esos túneles por medio e un vórtice muy potente, la carga aerodinámica será mucho mayor.

Por tanto quedan explicadas las dos funciones del alerón, que son la de generar carga aerodinámica y la de dirigir el aire hacia donde nos interese, para que interactúe de la manera más adecuada con el resto del coche. Ahora cambiamos de extremdel coche y vamos a hablar del alerón trasero.

Básicamente, aunque sea un elemento que cambie cada temporada, las piezas suelen mantenerse más o menos constantes. Contamos en primer lugar con el plano principal, un plano con forma de ala invertida (para ser más correcto lo denominaremos, plano con sección de perfil aerodinámico) que genera la mayor parte de la carga aerodinámica.

Ahora muchos os preguntaréis cómo, tanto el alerón delantero como el trasero, con su sección de perfil aerodinámico, generan carga aerodinámica. La respuesta es que la parte inferior tiene aire en aceleración, es decir, que por diversos factores, el aire que va por debajo del alerón va "más rapido" que el que va por encima, por tanto, si le aplicamos el efecto de Bernoulli a lo anterior se deduce que debajo del alerón se generará una zona de bajas presiones que, combinada con las altas presiones de la parte superior, lo aplastarán contra el suelo.

Dicho todo lo cual, volvemos si os parece al alerón trasero. Otra parte fundamental de el alerón trasero es el flap, este es otro elemento con sección de perfil aerodinámico que se coloca justo tras el borde posterior del plano principal, se encarga de aumentar la carga aerodinámica y es el que se mueve cuando se activa el DRS.

Para ir finalizando con el alerón trasero vamos a repasar las funciones, la primera y más obvia es la de generar carga aerodinámica debido a su perfil, después también genera resistencia al avance, esto se debe a la inclinación del flap, que genera drag, por tanto el ángulo de inclinación deberá variar en función del circuito, es por eso que el alerón en Mónaco está mucho más atacado (inclinado) que en Monza.

Por último es interesante destacar la relación existente entre el alerón y el difusor. Como os expliqué, en la zona inferior del alerón se genera una depresión y es la encargada de producir ese downforce; pero, además, esa depresión se encarga de succionar el aire del difusor, permitiendo así que el flujo a través de este sea más rápido, haciendo al fondo del coche más eficaz.

Llegados a este punto vamos a hacer un repaso de todo lo que hemos explicado: Sabemos que tenemos dos fuerzas fundamentales a la hora de hablar de aerodinámica, la primera es el drag y la segunda es el downforce, se oponen al movimiento y pegan el coche contra el suelo, respectivamente. También hemos hablado de tres partes fundamentales en la aerodinámica del coche, el fondo, que en 2022 será el encargado de producir el efecto suelo, siempre apoyado por el difusor; el alerón delantero, que dirige el aire y consigue cierta carga aerodinámica en el frontal del coche y el alerón trasero que genera carga aerodinámica y además ayuda al difusor a succionar aire y a que funcione más eficientemente.

Ahora solo nos queda hablar del último elemento a tener en cuenta a la hora de hablar de la aerodinámica de un coche, las ruedas.

Los neumáticos son quizá el elemento más complicado a la hora de estudiar la aerodinámica de un Formula 1. La razón es debido a que son elementos elásticos que sufren deformaciones a lo largo de los trazados debido a las altas fuerzas laterales a las que son sometidos, sobre todo, en curvas rápidas. De ahí la decisión de la FIA de, para 2022, reducir el balón del neumático aumentando el tamaño de las llantas para tener así menor deformación.

Como es lógico, los neumático generan drag debido a que su forma no es para nada aerodinámica. Cuando se mueven a través del aire, generan una zona de altas presiones en la parte con la que chocan contra el fluido y una zona de depresiones en la parte contraria, esto hace que se genere drag. De la misma forma, el aire tiende a generar una zona de altas presiones en la parte inferior del neumático así como una zona de bajas presiones en la parte superior, esto provaca que se cree lift ascendente algo que, por supuesto, no nos interesa.

La cosa es que este estudio anterior serviría solo para una rueda que se desplazase pero no girase sobre sí misma, algo que, por supuesto, nunca ocurre (salvo cuando se bloquean los frenos). Por ello, cuando las ruedas se desplazan a través de un campo de aire, las cosas cambian y, por suerte para los ingenieros, para mejor.

Para entender como se distribuyen las presiones en una rueda que gira sobre sí mismo pensemos primero en el fútbol, cuando un jugador lanza el balón con rosca, este no se desplaza en linea recta, sino que describe una trayectoria curva, esto es debido a que el balón girando arrastra el aire acelerándolo en la dirección del giro. Esto hace que en esa zona donde el aire se mueve más rápido se cree una depresión, lo que generará que el balón se mueva en esa dirección. 

Con las ruedas ocurre exactamente lo mismo, en la parte inferior, donde antes el aire se movía muy despacio generando altas presiones, ahora se mueve un poco más rápido, generando presiones menores y reduciendo el lift, lo cual es bueno. De la misma forma, se consigue que la parte posterior tenga una distribución de presiones menos negativa, generando menos drag que si el neumático no rotase.

En resumen, queda claro que el neumático al girar sobre sí mismo mientras se mueve en un campo de aire genera drag y lift, que deberá ser estudiado por los ingenieros para que sea el menor posible y para que el flujo de aire que dejen los neumáticos sea el más limpio posible.

Hablando del flujo de aire que dejan los neumáticos cabe destacar que tenemos tres parejas de vórtices que se generan en los neumáticos, el primer tipo, con forma de herradura aoarece en la estela del neumático y se desplaza hacia la parte trasera a medida que el monoplaza avanza. También se crea un vórtice con forma de aro en la parte superior de la estela y, por último se crea otro debido al aire que se queda atrapado en la parte frontal inferior del neumático. Este tiende a escaparse por los laterales creando un flujo turbulento que se mueve pegado al suelo y que se unirá al de herradura explicado previamente.

Para controlar este flujo de aire alrededor de la rueda es crucial asegurarnos de que el alerón delantero dirige el flujo de la forma óptima, además también es crucial estudiar los elementos de la trasera para asegurarnos que el flujo turbulento que generen los neumáticos traseros no perjudiquen el funcionamiento del difusor.

Y bien, dicho todo esto, ya no tengo nada más que contaros de aerodinámica, espero que os haya resultado interesante la entrada, que hayáis aprendido alguna curiosidad y que, cuando empiece dentro de tres semanas la temporada de F1 sepáis algo más de por qué tienen esas formas tan peculiares. Por mi parte eso es todo, solo me queda deciros que hasta la próxima y ¡cuidaros!

//Antes de cerrar la entrada me gustaría dar las gracias a www.aerodinámicaf1.com porque de ahí he extraído mucha información e imágenes para esta entrada//