12) Aerodinámica: Apoyo ( downforce )
- Aerodinámica en los 3 ejes.
- Centro de presión.
- Analogía del riachuelo.
- Teorema de Bernoulli
- Magnitud del apoyo aerodinámico
- Mapa de presiones
- Implicaciones prácticas en goitiberas
- AERODINÁMICA EN LOS 3 EJES
Cuando una goitibera se desplaza a través del aire, éste ejerce efectos sobre los tres ejes:
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Eje X ( delante-detrás ): La resistencia aerodinámica que hemos
estudiado en el capítulo anterior que frena el avance disminuyendo la
velocidad.
- Eye Y ( izquierda-derecha ): Cuando el aire nos
alcanza con un determinado ángulo desde un lado ( bien sea por un viento
cruzado o por la componente lateral de nuestra propia velocidad al
trazar una curva ) se producen dos efectos principales:
- La dirección de viento que más nos frena no es el viento directamente de cara, sino el viento frontal pero ladeado. Esto es debido a que el área lateral es siempre mayor que la frontal, y añade una componente longitudinal contraria al sentido de la marcha. Los F1 de los años 70 eran bien conscientes de esto y diseñaban las paredes laterales curvadas en vez de verticales para mitigar este efecto.
- En función del área lateral de nuestro vehículo y de la distribución de ésta podemos calcular el centro de presión, que es el punto en el que podríamos aplicar cualquier fuerza aerodinámica lateral obteniendo el mismo efecto que en la realidad.
Si tenemos mucha superficie lateral más cercana al eje trasero, la goitibera reaccionará ante el viento lateral como una veleta, en la que la fuerza lateral se aplicará mayoritariamente en el eje trasero.
Si tenemos mucha superficie lateral más cercana al eje delantero, la reacción de nuestra carrilana será la contraria y la fuerza lateral generada por el viento se aplicará mayoritariamente en el eje delantero.
Es bastante evidente que el primer caso es mucho más estable que el segundo ( piensa en cómo es más estable llevar un carrito de la compra: tirándo de el o empujándolo ). Una perturbación en el eje trasero tiene mucho menos efecto cuando se aplica en el eje trasero. Por ello se emplean placas verticales en l aparte trasera de algunos monoplazas para retrasar la posición del centro de presión y mejorar la estabilidad a alta velocidad ( placas verticales de los alerones traseros, "aletas de tiburón" tras la toma de aire de la cabeza, etc. ).
- Eje Z ( arriba-abajo ): Los efectos aerodinámicos en el eje vertical tienen una implicación muy importante ya que modifican la fuerza que ejercen los neumáticos sobre el asfalto y con ello el agarre disponible.
En el capítulo 1 estudiamos que la fuerza de rozamiento del neumático es  y que la fuerza centrífuga que trata de "expulsarnos" de la trayectoria en las curvas  .
Cuando no existen fuerzas aerodinámicas, la fuerza normal N es igual al peso. Al aumentar el peso aumenta en la misma magnitud la Fc por lo que no conseguimos aumentar el agarre. De hecho, el agarre disminuye debido al fonómeno de la sensibilidad a la carga del neumático, que hace que el coeficiente de rozamiento μ disminuya ligeramente al aumentar la carga soportada.
La ventaja de las fuerzas de apoyo aerodinámico es que aumentan la fuerza normal sin aumentar la masa real del vehículo y, por tanto, sin aumentar la fuerza centrífuga. El efecto neto es un aumento en la capacidad de agarre y una mayor velocidad de paso por curva.
También hay que considerar que cualquier incremento de la carga aerodinámica implica un aumento en la resistencia aerodinámica al avance por lo que se conoce como resistencia aerodinámica inducida por el apoyo ( lift induced drag ), por lo que habrá que sopesar los beneficios y perjuicios de un aumento de la carga aerodinámica.
Al igual que en el eje X, en el eje Z disponemos de un coeficiente adimensional Cz ( Cl en inglés, por coefficient of lift ) que caracteriza estos efectos: Un Cz=0 indica un comportamiento neutro, un Cz positivo implica una disminución de la carga en los neumáticos al aumentar la velocidad ( muy indeseable desde el punto de vista de la estabilidad y el agarre ) y un Cz negativo indica un aumento de carga con el aumento de la velocidad.
Al igual que en el eje Y, el centro de presión indica en qué punto se aplica esta carga aerodinámica. Si se sitúa justo a la altura del Centro de Gravedad, la carga aerodinámica aumentará el agarre sin modificar el comportamiento del vehículo. Si el CP está por delante del CG se logrará más agarre extra en las ruedas delanteras, por lo que el vehículo se volverá sobrevirador a alta velocidad ( más sobre esto en próximos capítulos ). Si el CP está por detrás del CG el agarre extra irá a las ruedas traseras, por lo que tendremos subviraje a alta velocidad.
Para tratar de conseguir un apoyo aerodinámico necesitamos comprender algunos conceptos básicos:
- ANALOGÍA DEL RIACHUELO:
Vamos a imaginar el cauce de un riachuelo: tenemos un determinado caudal de agua ( que representa el aire alrededor de nuestra goitibera ). Vamos a hacer unos experimentos tirando unos trocitos de corteza de pino en la corriente:
- En las zonas donde el cauce se estrecha, el agua circula más rápida, y donde se ensancha, circula más lenta. Como el fluido prácticamente no se puede comprimir, en las zonas estrechas debe de acelerar para "dejar paso" al resto de moléculas de agua que vienen detrás.
- Imaginemos una roca en medio del cauce: el lado izquierdo es casi recto y el derecho es más redondeado. Soltamos dos trozos de corteza delante de la roca de manera que cada uno siga un camino. ¿ Cuál llegará primero al otro lado de la roca ?.
Llegan igual: el agua que tiene que recorrer más camino se acelera y la que tiene que recorrer menos trecho se frena. Piensa que no podemos crear "vacíos" en la corriente. En nuestro caso, si un flujo de aire alcanza un elemento que, al rodearlo, ofrece un camino más largo que otro - un alerón, el aire que recorre el camino más largo y curvado ( llamado extradós ) viaja más rápido que el que recorre el camino más corto y rectilíneo ( llamado intradós ).
- TEOREMA DE BERNOULLI
A una temperatura determinada, el producto de la velocidad por la presión de un fluido permanece constante. Esto implica que si un fluido se mueve más rápido, su presión se reducirá, y viceversa. Luego el aire que recorre el extradós ( el camino más largo ) se acelera y disminuye su presión. El aire que recorre el intradós ( el camino más corto ) se frena y aumenta su presión. Y como en medio tenemos un elemento mecánico ( un alerón o la misma carrocería del vehículo ), el área de baja presión "aspira" al cuerpo generando una fuerza. ¡ Acabamos de inventar la carga aerodinámica... !
¿ Y qué ocurre cuando tenemos una zona de alta presión y otra de baja presión cercanas ? Que el aire a alta presión trata de "rellenar" el "hueco" de la zona de baja presión. Por ello es importante interponer elementos que impidan este trasvase de aire que trata de igualar las presiones. Es por ello que se emplean placas verticales en los extremos de los alerones y que se empleaban faldillas en los "coches ala" con efecto suelo. También se puede lograr este efecto mediante la generación de vórtices ( espirales controladas de aire ).
En el caso de los aviones, las alas tienen el extradós ( camino largo ) en la parte superior por lo que el área de baja presión se sitúa por encima del ala y literalmete "chupa" del avión hacia arriba y lo levanta del suelo. Así que un avión no vuela por el aire que "choca" con la parte inferior de las alas a un determinado ángulo, sino por el vacío parcial que se genera encima de ella.
En el caso de los automóviles se busca el efecto contrario: generar zonas de baja presión en la parte inferior del vehículo de manera que esta fuerza aerodinámica nos "aplaste" contra el asfalto aumentando el agarre.
- MAGNITUD DEL APOYO AERODINÁMICO ( downforce )
El cálculo de la carga generada en el eje vertical es muy similar a la empleada en el eje longitudinal ( resistencia aerodinámica )
En este caso intentaremos maximizar el producto Cz.A, bien sea aumentando el coeficiente Cz optimizando la forma de los elementos o aumentando la superficie horizontal de los mismos. Por ello, es más fácil lograr cifras aceptables de apoyo aerodinámico con elementos de gran tamaño, como el suelo y la carrocería que con elementos más pequeños, como los alerones.
- MAPA DE PRESIONES
El resumen de las presiones que se generan en un perfil se realiza mediante un mapa de presiones:
En él podemos distinguir:
- Presiones positivas ( en rojo ): presionan sobre el perfil
- Presiones negativas ( en azul ): "aspiran" al perfil
- Punto de estancamiento ( stagnition point ). Es aquel lugar en el que la velocidad del aire es 0. En este caso en la punta delantera del perfil, justo entre el área de presiones positivas y el área de presiones negativas.
- Sustentación o apoyo resultante ( flecha gris vertical )
- Resistencia aerodinámica inducida ( flecha gris horizontal )
- Centro de presión ( punto donde nacen las dos flechas grises ).
IMPLICACIONES PRÁCTICAS EN GOITIBERAS
A partir de este concepto básico se abre todo un mundo de posibilidades que exceden la intención de este artículo. Nombraremos, sin embargo, algunos elementos que se pueden emplear para lograr apoyo aerodinámico.
- Alerones ( wings): Es el recurso más evidente. En el caso de las carrilanas, al disponer de una aceleración muy reducida al no emplear ninguna propulsión, el aumento de la resistencia aerodinámica generado al añadir estos elementos no suele compensar el apoyo aerodinámico que puedan generar ( que, además, será reducido por la pequeña superficie que presentan ).
- Inclinación del suelo ( pitch ): Cuando contamos con un fondo plano ( muy deseable para disminuir la resistencia aerodinámica ), podemos inclinarlo hacia delante entre 1º y 2º de manera que se genere un estrechamiento en la parte delantera ( y, por tanto, una zona de baja presión ) mientras que al aumentar la altura libre al suelo en el eje trasero vamos disminuyendo la velocidad del flujo de aire hasta alcanzar su velociad inicial. Esto tiene la ventaja de disminuir la resistencia aerodináica al contrarestar el aumento de grosor de la capa límite que vimos en el capítulo anterior. Además, tenemos la ventaja de contar con una superficie habitualmente superior a 1 m2, por lo que el efecto es más perceptible.
- Difusor trasero ( rear diffuser ): Como la reglamentación de F1 impone el fondo plano entre los ejes, la mismión del difusor trasero es aumentar la sección de paso del aire que circula por debajo del coche para que disminuya su velocidad y alcance al flujo de la mitad superior a una velocidad similar que disminuya la resistencia aerodinámica.
- Carrocería: En general, la parte delantera de la carrocería ( que va aumentando de altura ) genera una pzona de alta presión que aumenta la carga aerodinámica mientras que la parte trasera ( que vuelve a bajar ) genera zonas de baja presión.
- Ruedas: El hecho de que la parte inferior de la rueda tenga que estar en contacto con el asfalto genera un punto de estancamiento y de alta presión por lo que el coeficiente de sustentación de las ruedas siempre es positivo ( disminuyen el apoyo aerodinámico al aumentar la velocidad ). La ruedas de sección redondeada ( tipo moto ) siminuyen este efecto.
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