Segunda entrega del estudio "Desarrollo de la F1", realizado por el español Marc Costa, futuro ingeniero aerospacial y gran apasionado del automovilismo. En esta segunda entrega el autor se centra en la aerodinámica aplicada a la competición, y más concretamente a la Fórmula 1.
2.- PRINCIPIOS DE AERODINÁMICA EN UN FÓRMULA 1
Cuando uno considera la Aerodinámica tiende a pensar en la Ingeniería Aeroespacial, es un hecho que la aerodinámica es una rama de la Mecánica de Fluidos y que fue desarrollada coda a codo con las aeronaves y que es una disciplina inconcebible sin las mismas. Y efectivamente así es; uno puede exigirle a un ingeniero aeroespacial un avanzado conocimiento en aerodinámica.
No obstante, cuando uno habla de aerodinámica debe ensanchar su mente y empezar a considerar otros procesos o aspectos de las ciencias aplicadas que requieren de estudios aerodinámicos. Estamos hablando de procesos a "altas velocidades". Con esa visión ampliada uno puede incluir casi cualquier vehículo, especialmente automóviles, edificios afectados por el viento, transporte en conductos, procesos internos en motores y un largo etcétera. De este modo, rápidamente se nos ocurre considerar la Fórmula 1.
Normalmente los coches de Fórmula 1 alanzan velocidades de hasta 350 km/h en algunos circuitos, de hecho, antes del recorte de prestaciones del motor, velocidades de 370 km/h eran fácilmente alcanzables en las rectas de algunos circuitos. Por consiguiente, la media de velocidad de estos bólidos no es inferior a los 160 km/h. No hay duda entonces de que la aerodinámica juega en este juego, un papel muy importante. Aunque parezca contradictorio hicieron falta casi 20 años para que los ingenieros de la Fórmula 1 se dieran cuenta de la gran importancia que tenía la aerodinámica.
El objetivo de esta sección no es el de hacer un curso avanzado en aerodinámica, sino incluyendo arduos desarrollos matemáticos o cosas por el estilo, de hecho en este trabajo apenas se presenta alguna fórmula matemática. Si el lector lo desea, o quiere indagar más en aspectos físicos, el lector debería dirigirse a la literatura técnica apropiada de Mecánica de Fluidos.
2.1- La física de la competición
Los principios que permiten volar a un avión son fácilmente aplicables a un coche de carreras. La única diferencia se encuentra en la forma en la que el ala o alerón está montado: justo al revés produciendo downforce en vez de Sustentación. Podemos echar un vistazo al Efecto Bernouilli.
Es decir; si un fluido (ya sea un líquido o un gas) fluye alrededor de un objeto a diferentes velocidades, la parte de este que se mueva más lentamente ejercerá más presión sobe el objeto que la que se mueve a mayor velocidad; consecuentemente el objeto se moverá en la dirección de la parte del flujo más rápida (La Figura 3 nos pone en evidencia este principio en un turismo). Las alas de un avión están diseñadas de tal forma que el aire que se mueve encima del ala se mueve más rápidamente que el que se mueve debajo de ella. Al ser la presión debajo del ala mayor que la de arriba se produce la sustentación del avión: los aviones vuelan "en el aire", los coches "vuelan" en las curvas. La forma del chasis de un Fórmula 1 es entonces similar al de un perfil aerodinámico puesto del revés.
Figura 3 - Simulación de contornos de presión (izquierda) y velocidad (derecha) alrededor de un turismo. La diferencia cromática (de mayores valores en rojo a menores en azul pasando por verde) nos muestra el principio de Bernouilli.
El aire que se mueve debajo del Fórmula 1 se mueve más rápido que el que se mueve encima creando una sustentación negativa (downforce) en el coche. Los alerones y perfiles utilizados en la parte delantera y trasera del coche también se usan para crear downforce. La downforce es necesaria para mantener las altas velocidades en las curvas ya que pega el coche al suelo. La mayor parte de aviones y aviones despegan con velocidades menores a las que estos coches llegan en pista. Cómo ya se ha comentado, un coche de fórmula 1 con un ligero efecto suelo puede llegar a velocidades que exceden los 370 km/h utilizando la downforce (Lejos de las pistas, el equipo BAR Honda (Honda Racing actualmente) usó una versión modificada de su BAR 007, acorde con las regulaciones de la FIA, para establecer un record no oficial de 413 km/h en trayectoria recta el 6 de Noviembre. El coche fue optimizado para altas velocidades con la sufriente downfore para que no despegara del suelo). Adicionalmente la forma inferior del cuerpo de un Fórmula 1 está diseñada (aunque la reglamentación de la FIA imponga un suelo plano) para crear un áera de baja presión entre el coche y el suelo, de este modo esta baja presión absorbe el coche en las curvas a altas velocidades.
Figura 4 - Vista lateral del Ferrari F2008
2.2- Aerodinámica aplicada a Fórmula 1
El paquete aerodinámico del coche tiene más importancia en la actualidad que en cualquier otro momento. Para ser competitivos los equipos utilizan túneles de viento y clústeres de ordenadores para obtener el diseño aerodinámico más eficiente dentro de las especificaciones técnicas de la FIA. Los ingenieros aerodinámicos se focalizan en la obtención de downforce y de la mínima resistencia aerodinámica posible. La relación entre la resistencia y la downforce es extremadamente importante; los avances aerodinámicos se centran en maximizar la downforce y minimizar la resistencia. Cómo ya se ha comentado la downforce es necesaria para mantener altas velocidades en las curvas; mientras que la resistencia que compaña al downforce ralentizará al coche. Adicionalmente, un circuito en particular, requerirá de una configuración aerodinámica en concreto en función de las rectas o las curvas que lo constituyan.
Una carrera urbana como Mónaco o Valencia con curvas lentas, requiere una configuración del coche con un alto downforce. Este es necesario para mantener la velocidad en las curvas y reducir el desgaste en los frenos. Esta configuración incluye alerones delanteros y traseros mayores o con más ala. El alerón delantero está formado por flaps ajustables y el trasero de hasta tres secciones que maximizan la downforce.
La configuración para circuitos de velocidad como Monza o Malasia tiene un aspecto completamente distinto. El alerón delantero y trasero son casi planos y son más bien utilizados como estabilizadores. La mayor parte de la downforce la encontramos en este caso en chasis o la parte inferior del coche. La reducción de resistencia es más crítica en este tipo de circuitos. Siento la Resistencia aerodinámica proporcional al cuadrado de la velocidad:
Dónde S es el área de referencia (la superficie del coche) y el Cx el coeficiente de resistencia, del orden de 0.35 en un turismo y de 0.8 en un Fórmula 1 . Por poner un ejemplo, un Fórmula 1 a 320 km/h puede llegar a producir un downforce que doble su peso (todo el coche incluyendo motor, carburante y piloto no suele exceder los 605 Kg).
La generación de la downforce necesaria se concentra en tres áreas específicas del coche. El verdadero reto de los ingenieros de los equipos es encontrar la optimización de flujo en esas áreas:
- El alerón delantero
- El chasis
- El alerón trasero
