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La fuerza descendente es una fuerza de sustentación hacia abajo generada por las características aerodinámicas de un vehículo. Si se trata de un automóvil, su función es permitirle alcanzar mayor velocidad al aumentar la fuerza vertical sobre los neumáticos, lo que genera mayor agarre . Si se trata de una aeronave de ala fija, la fuerza descendente sobre el estabilizador horizontal tiene como objetivo mantener la estabilidad longitudinal y permitir al piloto controlar el cabeceo de la aeronave.
Principios fundamentales
El mismo principio que permite a un avión elevarse del suelo mediante la sustentación generada por sus alas se utiliza a la inversa para aplicar la fuerza que presiona el coche de carreras contra la superficie de la pista. Este efecto se denomina «agarre aerodinámico» y se distingue del «agarre mecánico», que depende de la masa del coche, los neumáticos y la suspensión. La generación de carga aerodinámica mediante dispositivos pasivos solo se consigue a costa de un aumento de la resistencia aerodinámica (o fricción ), y la configuración óptima casi siempre es un compromiso entre ambas.
La configuración aerodinámica de un coche puede variar considerablemente entre circuitos, dependiendo de la longitud de las rectas y los tipos de curvas. Dado que depende del flujo de aire por encima y por debajo del coche, la carga aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad del coche y requiere una velocidad mínima para producir un efecto significativo. Algunos coches han tenido una aerodinámica bastante inestable, de modo que un pequeño cambio en el ángulo de ataque o la altura del vehículo puede provocar grandes cambios en la carga aerodinámica. En los peores casos, esto puede provocar que el coche experimente sustentación, no carga aerodinámica; por ejemplo, al pasar por encima de un bache en la pista o al aprovechar el rebufo en una cresta: esto podría tener consecuencias desastrosas, como el Mercedes-Benz CLR de Mark Webber y Peter Dumbreck en las 24 Horas de Le Mans de 1999 , que volcó espectacularmente tras seguir de cerca a un coche competidor al pasar por un bache.
Dos componentes principales de un coche de carreras pueden utilizarse para generar carga aerodinámica cuando el coche circula a velocidad de competición:
- la forma del cuerpo, y
- el uso de perfiles aerodinámicos .
La mayoría de las fórmulas de competición prohíben el uso de dispositivos aerodinámicos que puedan ajustarse durante la carrera, excepto durante las paradas en boxes .
La fuerza descendente ejercida por un ala se suele expresar como una función de su coeficiente de sustentación :
dónde:
- F es la fuerza descendente (unidad del SI: newtons ).
- C L es el coeficiente de sustentación
- ρ es la densidad del aire (unidad del SI: kg/m³ ) .
- v es la velocidad (unidad del SI: m/s)
- A es el área del ala (unidad del SI: metros cuadrados), que depende de su envergadura y cuerda si se utiliza la base del área del ala superior para C L , o de la envergadura y el espesor del ala si se utiliza la base del área frontal.
En ciertos rangos de condiciones de funcionamiento y cuando el ala no está en pérdida, el coeficiente de sustentación tiene un valor constante: la fuerza descendente es entonces proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica.
En aerodinámica, es habitual utilizar la superficie proyectada del ala vista desde arriba como superficie de referencia para definir el coeficiente de sustentación.
Cuerpo
La forma redondeada y ahusada de la parte superior del automóvil está diseñada para cortar el aire y minimizar la resistencia aerodinámica. Se pueden añadir elementos de carrocería detallados para permitir un flujo de aire suave hacia los componentes que generan carga aerodinámica (por ejemplo, alerones o spoilers y túneles en la parte inferior del vehículo).
La forma general de un automóvil se asemeja al ala de un avión. Casi todos los automóviles de carretera producen sustentación aerodinámica como resultado de esta forma. [ 1 ] Existen muchas técnicas que se utilizan para contrarrestar esta sustentación. Observando el perfil de la mayoría de los automóviles de carretera, el parachoques delantero tiene la menor distancia al suelo, seguido de la sección entre los neumáticos delanteros y traseros, y luego un parachoques trasero, generalmente con la mayor distancia al suelo. Con esta disposición, el aire que fluye bajo el parachoques delantero se restringirá a un área de sección transversal menor, logrando así una presión menor. La inclinación (o ángulo) de la carrocería del vehículo genera una fuerza descendente adicional, que dirige el aire de la parte inferior hacia arriba y crea una fuerza descendente, aumentando la presión sobre el automóvil porque la dirección del flujo de aire se acerca a la perpendicular a la superficie.
El volumen no afecta la presión del aire, ya que no es un volumen cerrado, a pesar de la creencia popular. Los autos de carreras amplifican este efecto al añadir un difusor trasero que acelera el aire bajo el auto delante del difusor y aumenta la presión del aire detrás de él, reduciendo así la estela que genera el auto. Otros componentes aerodinámicos que se pueden encontrar en la parte inferior para mejorar la carga aerodinámica y/o reducir la resistencia al aire incluyen divisores y generadores de vórtices.
Algunos coches, como el DeltaWing , no tienen alerones y generan toda su carga aerodinámica a través de su carrocería.
Perfiles aerodinámicos
La magnitud de la carga aerodinámica generada por los alerones o spoilers de un coche depende principalmente de tres factores:
- La forma, incluyendo el área de superficie, la relación de aspecto y la sección transversal del dispositivo,
- La orientación del dispositivo (o ángulo de ataque ), y
- La velocidad del vehículo.
Una mayor superficie genera mayor carga aerodinámica y mayor resistencia . La relación de aspecto es el ancho del perfil aerodinámico dividido por su cuerda. Si el ala no es rectangular, la relación de aspecto se expresa como AR = b² / s, donde AR = relación de aspecto, b = envergadura y s = área del ala. Asimismo, un mayor ángulo de ataque (o inclinación) del ala o alerón genera mayor carga aerodinámica, lo que ejerce mayor presión sobre las ruedas traseras y crea mayor resistencia.
Frente
La función de los alerones delanteros es doble. Generan carga aerodinámica que mejora el agarre de los neumáticos delanteros, a la vez que optimizan (o minimizan) el flujo de aire hacia el resto del vehículo. Los alerones delanteros de un monoplaza se modifican constantemente a medida que se recopilan datos de carrera en carrera, y se personalizan para cada característica de un circuito en particular (ver fotos superiores). En la mayoría de las series, los alerones incluso se diseñan para poder ajustarse durante la carrera, cuando se realiza el mantenimiento del coche.
Trasero
El flujo de aire en la parte trasera del coche se ve afectado por los alerones delanteros, las ruedas delanteras, los retrovisores, el casco del piloto, los pontones laterales y el escape. Esto provoca que el alerón trasero sea menos eficiente aerodinámicamente que el delantero. Sin embargo, dado que debe generar más del doble de carga aerodinámica que los alerones delanteros para mantener el equilibrio del coche, el alerón trasero suele tener una relación de aspecto mucho mayor y, a menudo, utiliza dos o más elementos para aumentar la carga aerodinámica generada (véase la foto de la izquierda). Al igual que los alerones delanteros, cada uno de estos elementos suele ajustarse durante el mantenimiento del coche, antes o incluso durante una carrera, y son objeto de atención y modificación constantes.
Alas en lugares insólitos
En parte como consecuencia de las normas destinadas a reducir la carga aerodinámica de los alerones delanteros y traseros de los monoplazas de F1, varios equipos han buscado otras ubicaciones para los alerones. Los pequeños alerones montados en la parte trasera de los pontones laterales comenzaron a aparecer a mediados de 1994 y se convirtieron prácticamente en estándar en todos los monoplazas de F1, de una forma u otra, hasta que estos dispositivos fueron prohibidos en 2009. Otros alerones han surgido en diversas partes del coche, pero estas modificaciones generalmente solo se utilizan en circuitos donde se busca la máxima carga aerodinámica, en particular en los sinuosos trazados de Hungría y Mónaco.
El McLaren Mercedes MP4/10 de 1995 fue uno de los primeros coches en incorporar un alerón central, aprovechando un resquicio legal en el reglamento para montarlo sobre la cubierta del motor. Esta configuración ha sido utilizada desde entonces por todos los equipos de la parrilla en algún momento, y en el Gran Premio de Mónaco de 2007, todos menos dos equipos la emplearon. Estos alerones centrales no deben confundirse con las cámaras montadas en el arco de seguridad que cada coche lleva de serie en todas las carreras, ni con los controladores de flujo en forma de cuerno de toro utilizados inicialmente por McLaren y posteriormente por BMW Sauber, cuya función principal es suavizar y redirigir el flujo de aire para mejorar la eficacia del alerón trasero, en lugar de generar carga aerodinámica por sí mismos.
Una variante de este diseño fueron los alerones en forma de "X", alerones altos montados en la parte delantera de los pontones laterales que aprovechaban una laguna similar a la de los alerones centrales. Tyrrell los utilizó por primera vez en 1997 y su último uso fue en el Gran Premio de San Marino de 1998, momento en el que Ferrari, Sauber, Jordan y otros ya habían empleado una configuración similar. Sin embargo, se decidió prohibirlos debido a la obstrucción que causaban durante el repostaje y al riesgo que suponían para el piloto en caso de vuelco.
De vez en cuando se han probado otros alerones adicionales, pero hoy en día es más común que los equipos busquen mejorar el rendimiento de los alerones delanteros y traseros mediante el uso de diversos controladores de flujo, como los mencionados "cuernos de toro" utilizados por McLaren.
Véase también
Lecturas adicionales
- Simon McBeath, Fuerza aerodinámica en coches de competición: Manual práctico , SAE International, 2000, ISBN 1-85960-662-8
- Simon McBeath, Aerodinámica de coches de competición , Sparkford, Haynes, 2006
- Enrico Benzing , Ali / Alas. Progettazione and application su auto da corsa. Su diseño y aplicación al coche de carreras , Milano, Nada, 2012. Bilingüe (italiano-inglés)
Referencias
Enlaces externos
- Aerodinámica en las carreras de autos. Archivado el 6 de diciembre de 2009 en Wayback Machine.
- Aerodinámica
- Terminología del automovilismo
- dinámica vehicular
