La aerodinamica en la Formula 1

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Perfil aerodinámico de un monoplaza

Para empezar este artículo, voy a comenzar pidiendoles un favor, y es que se pongan en la situación que les describo a continuación.
Imagínense que están en un coche que circula a unos
30 km/h con la ventanilla bajada. Usted, en un gesto inocente y viendo que no hay peligros potenciales a su alrededor, saca el brazo por la ventanilla y empieza a notar como el aire golpea su mano con cierta fuerza, fuerza que se incrementa notablemente cuando pone la mano en una posición no paralela al asfalto por el que circula. Entonces, el conductor (compinche nuestro) comienza a aumentar gradualmente la velocidad hasta llegar a los 100km/h.
Mientras el conductor aumenta la velocidad, usted va notando progresivamente que el empuje del aire contra su mano es cada vez mayor y que cuando cambia ligeramente de posición de esta formando un ángulo con la horizontal, los músculos tienen que hacer una gran fuerza para que la mano se mantenga en la posición deseada.
Esto que “a priori” puede parecer un juego de niños, es una demostración empírica de los fundamentos básicos de la aerodinámica.
Para entender bien que es la aerodinámica tenemos que empezar por el concepto de “fuerza”.

Normalmente definimos fuerza como una acción que hemos de realizar para conseguir un fin como puede ser mover algo, sostenerlo o manipularlo, pero me van a permitir cambiar un poco el concepto que tienen de fuerza por uno que nos ayude a comprender mejor esto que intento explicaros.
A partir de ahora para nosotros, una fuerza va a ser una flecha imaginaria llamada vector, de tal forma que, cuanto MAYOR sea dicha fuerza, MAYOR será la longitud de la flecha que la representa; cuya dirección es la linea imaginaria en la que aplicamos dicha fuerza, y cuyo sentido es el lugar al que apunta.

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Fuerzas generadas por el flujo de aire en el perfil aerodinámico

Aún necesitamos algún que otro concepto más para comprender su importancia en la F1.
El siguiente a definir es el concepto de fluido, el cual podemos expresarlo como aquel material capaz de fluir a través de recovecos, orificios y superficies. Algunos fluidos son, el agua o el aire.
Sabiendo esto podemos definir la aerodinámica como la parte de la fluido-dinámica que estudia el comportamiento de un fluido, en este caso, el aire. Dentro de la aerodinámica, vamos a distinguir entre dos conceptos, que están íntimamente relacionados pero que esta bien diferenciarlos para una mejor comprensión

Resistencia : según sabemos gracias a Newton cuando una fuerza se ejerce sobre un cuerpo, este reacciona ejerciendo una fuerza igual pero de sentido contrario. Por tanto la resistencia aerodinámica puede definirse como la fuerza que produce la corriente de aire cuando choca con un movil, en este caso, contra nuestro F1. La menor fuerza de rozamiento con el aire la encontramos cuanto mas paralelos a la corriente de aire estamos y, por tanto, cuanto menos ángulo tenga la superficie del vehículo respecto a la dirección de la corriente del aire.

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Flujo aerodinámico a través del alerón delantero, por @erteclas

Carga aerodinámica : esta es una forma sencilla de aprovechar la resistencia anterior y el flujo de la corriente de aire. Todos conocemos el concepto de “hacer que algo este al vacío”, y sabemos que cuando creamos un vacío, las cosas se ven arrastradas por ello. Pues bien, cuando un alerón se encuentra con un ala con una determinada forma, con un perfil no simétrico en la cara superior e inferior del alerón, el aire recorre mas distancia en una cara que en la otra, lo que produce una especie de vacío que causa la elevación en los aviones, y la downforce en los F1.
Despues de ver estos conceptos vamos a estudiar el principio de la Downforce!

Todo parte del principio aerodinamico de que el aire, cuanto mas rápido va, menos presion tiene. Por tanto, como vemos en esta imagen, el aire que pasa por la zona plana, mantiene su velocidad constante, mientras que el aire que pasa por la zona curvada, dado que si fuese a la misma velocidad que el de la zona plana antes que el dos al final del ala llegaría, este segundo aumenta su velocidad y, por tanto disminuye su presión, creando un “vacío” pega el vehículo al suelo. Este “vacío” es lo que llamamos Downforce.

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El aire que va por la parte curvada del perfil tiene que incrementar notablemente su velocidad para compensar la distancia mayor que la del aire que recorre la otra zona sin curva creando una diferencia de presión que produce la llamada Downforce.

Es por tanto que los elementos mas importantes de un Formula 1 son el ala trasera y el ala delantera, los cuales proporcionan esta Downforce al vehículo, al igual que la que produce la propia carrocería.

Además de aportar Downforce, los ingenieros de los distintos equipos de F1 tratan de conseguir desviar la corriente de aire para reducir la resistencia contra las ruedas, así como de dirigir el aire mediante apliques aerodinámicos como los Bargeboards para conseguir dirigir el flujo y reducir aun mas la resistencia ademas de aprovechar algunos principios para insuflar aire al difusor o dirigir los gases de escape.

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Dinámica del aire que pasa a través del alerón delantero y que es dirigido con el fin de reducir al máximo el rozamiento, por @erteclas

Esta es la primera parte de esta explicación sobre que es la aerodinámica. Espero que hayáis entendido todo y en caso de que os quede alguna duda no dudéis en dejar un comentario y os resolveré las dudas. Se que quizá este artículo es demasiado denso y técnico, pero es la base con la que entenderéis la siguiente parte, en la que explicare el efecto coanda, así como las funciones de algunos elementos aerodinámicos de los monoplazas 🙂 no dudéis en suscribiros no vaya a ser que os lo perdáis y os espero por aquí!

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Maquetas a escala usadas en el túnel de viento para analizar el flujo de aire

Tras la primera parte de este artículo acerca de la aerodinámica, en esta segunda parte vamos a desarrollar un poco la parte mas entretenida de esta disciplina para nosotros, que es básicamente la aplicación de lo anterior a la f1. En este artículo os expongo las claves aerodinámicas de la formula uno de hoy en día, que en estos últimos años ha cobrado una enorme importancia siendo hoy el principal elemento de trabajo de los equipos.

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Bargeboard de un Formula 1, justo delante del ponton

Lo primero es recordaros que como ya vimos en el anterior artículo, el aire a mayor velocidad, menor presión, y esto es lo que producía la downforce al chocar el air-flow contra un perfil de ala determinado

Lo primero que vamos a ver son los conocidos como bargeboards.

Por definición un bargeboard se considera un elemento vertical curvado que redirige o conduce el flujo de aire. En la Formula 1, el elemento principal al que identifica esta palabra es a las piezas curvadas en la zona anterior de los pontones, cuya función consiste en dirigir el flujo de aire hacia la zona inferior de lo pontones, de tal modo que el aire viaja hacia la zona trasera interior, entre las ruedas traseras donde se une a los gases de escape.

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flujo de aire desviado por el sidepod del F138, por @erteclas

Estas piezas son muy importantes y llevan mucho tiempo en la F1, pueden suponer una diferencia de unas dos decimas si se consigue la forma adecuada para cada monoplaza.

Con el tiempo se incorporó otro Bargeboard, en este caso paralelo al inicio del pontón, con el fin de colocar sobre estos los retrovisores y aprovechar para perfeccionar el flujo proveniente de los bargeboards principales

Otro de los puntos más importantes en cuanto a la aplicación de la aerodnamica en este deporte, es el aprovechamiento de los gases de los escapes para obtener mayor downforce mediante el fenómeno fluido-dinámico conocido como ¨Efecto coanda¨ , el cual se ha hecho famoso estos últimos años en la F1 tras la prohibición de los escapes soplados en el suelo del monoplaza. Tras establecer la FIA una altura y un ángulo respecto de la horizontal máximo de 10 grados, los equipos tuvieron que comerse el coco para recuperar la carga aerodinámica perdida.Fue entonces, cuando los ingenieros de la formula 1 se vieron obligados a tirar de libros de sus estudios buscando una solución para reconducir los gases de escape, y encontraron esta en el efecto coanda.

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Esquema del flujo de aire con y sin efecto coanda

Este fenómeno se produce gracias una de las características principales de los fluidos que es su viscosidad. Cuando una corriente de aire paralela a la horizontal se encuentra con una zona de curva, se produce una presión negativa por encima y por debajo el airflow. Es entonces cuando la presión negativa en la zona del air flow más alejada de la superficie y en contacto con la atmósfera, se ve compensada con la gravedad, reduciéndose la presión negativa a la zona más cercana a la superficie y creándose un vacío que pega el flujo de aire a la superficie. De este modo el aire que debería mantenerse paralelo a la horizontal, es reconducido mediante este efecto hacia la zona que separa las ruedas traseras y el difusor. Aquí os dejo un dibujo explicativo del efecto coanda que espero que os aclare este fenómeno un poco más

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Esquema del efecto coanda y lo que lo causa

Otro concepto que Red Bull ha puesto de moda es el llamado ¨rake¨, que no es mas que el ángulo que hace el fondo plano con el asfalto. Esto se ha visto mucho mas pronunciado de lo normal en los monoplazas del equipo de la bebida energética y con una clara y simple función: Dar mas espacio al difusor, elemento fundamental en la dinámica de los Red Bull en los últimos años y que han conseguido en estos años perfeccionar haciendo que sea tremendamente eficiente en su función. Recordamos que el difusor descomprime el aire, que aumenta la velocidad de este y crea una diferencia de presión, creando un vacío que pega el coche al suelo y proporciona un gran agarre al vehículo.

Es por tanto que el Red Bull ha conseguido combinar estos factores junto con una buena salida de escapes consiguiendo una gran dinámica general del monoplaza aerodinámicamente hablando.

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Como Sutton images nos muestra en esta imagen, vemos que el fondo plano no es paralelo, sino que forma un ángulo con la horizontal

Carlos Sánchez Martínez (@carlossmf1)

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