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Tunel de viento, aerodinámica y Formula 1
Viernes, 13 de Marzo de 2009
Dedicaré este post a hablar del tunel de viento y de la utilidad del mismo en la Formula 1. Creo que lo primero es que veamos en que consiste:
La mayoría de los tuneles de viento de la industria automovilística son una instalación que consiste en un circuito cerrado donde el aire es acelerado por una turbina y que cuentan con una zona en la que se establece el área de pruebas, que es donde se colocarán las maquetas de los vehículos sobre los que se van a efectuar los ensayos. En la siguiente imagen podéis ver un ejemplo de la zona de pruebas:
En este caso además puede verse que la superficie sobre la que se apoya el vehículo es móvil. Esto es para poder realizar las pruebas aerodinámicas con las ruedas en movimiento.
Basicamente el tunel de viento sirve para estudiar el comportamiento aerodinámico del coche: calcular coeficientes aerodinámicos, fuerzas aerodinámicas, centro de presiones y momentos aerodinámicos. A continuación veremos como se calculan estos factores y como influyen en la establidad y el rendimiento del vehículo.
Lo primero que se ha de hacer es una maqueta a escala del vehículo sobre el que se van a efectuar las correspondinetes pruebas. Esta maqueta se llena de transductores (sensores) de presión por gran parte de su superficie. El objetivo es obtener una distribución de presiones a partir de la cual calcular numericamente fuerzas.
En cada punto de la superficie del vehículo se producen dos fuerzas que tienen que ver con su movimiento en un fluido como es el aire. Una es la fuerza de presión que ejerce el fluido (normal a la superficie) y otra la fuerza de rozamiento con el fluido debida a efectos viscosos (tangencial a la superfice).
Con los ensayos en el tunel se obtienen distribuciones de presión con las que luego mediante métodos numéricos se obtienen distribuciones de fuerzas, las cuales sumamos, y calculamos así la resultante que aplicamos en el centro de presiones del vehículo previo calculo de este. El centro de presiones (cdp) del vehículo es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas aerodinámicas. Es distinto del centro de gravedad (cdg), que es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas de gravedad del vehículo. Si estos dos centros divergen demasiado en su posición el vehículo será inestable, de ahí que oigamos en los entrenamientos muchas veces que están ajustando el reparto de pesos. Lo que están haciendo es intentar ajustar la posición del centro de gravedad para que coincida lo máximo posible con el centro de presiones aerodinámico de cara a que el vehículo sea lo más estable posible. Si no coinciden se producen pares de fuerzas que producen momentos y con ello inestabilidad en el vehículo.
Pero por el momento centrémonos en las fuerzas resultantes que se producen:
Podemos ver que las resultantes de las fuerzas aerodinámicas tienen una componente en el eje X que se opone al avance del vehículo llamada Fuerza de arrastre (Fx) o Resistencia aerodinámica, y una componente en el eje Y que tiende a elevar a este llamada sustentación.
En la Formula 1 se persigue el equilibrio que minimice la fuerza de arrastre y la fuerza de sustentación, incluso en cuanto a esta última se refiere, se persigue que en lugar de hacia arriba vaya hacia abajo (downforce) para favorecer así el agarre y la tracción del vehículo.
Influyen otras fuerzas aerodinámicas, pero son menos significativas, siendo de las dos que hemos analizado la más significativa la de presión, que viene a ser un 70-80% de la fuerzas aerodinámicas totales que influyen en el vehículo, la de rozamiento aerodinámico vendría a influir aproximadamente un 10%.
Una vez se obtienen las fuerzas se sacan unos coeficientes adimensionales, que son los coeficientes aerodinámicos. En Formula 1 es de especial interés el coeficiente de arrastre (Cx) que obedece a la fórmula:
Donde el Coeficiente de Arrastre (Cx) es igual a la Fuerza de Arrastre divida por la mitad del producto de la densidad del aire por la velocidad al cuadrado y por una superficie de referencia cualquiera. Como superficie de referencia suele elegirse la frontal.
A partir de los ensayos realizados en el tunel de viento se tienen valores de la Fuerza de Arrastre para una determinada densidad del aire y para una determinada velocidad de este, pudiendo entonces calcular de forma experimental, sustituyendo en la fórmula, el Coeficiente Aerodinámico de Arrastre que podemos suponer constante para cualquier velocidad y/o densidad en los intervalos en los que se mueve un Formula 1. El producto Cx·S se utiliza para comparar diferentes configuraciones del vehículo o diferentes vehículos. Cuando en un gran premio reglan los alerones, el morro, etc, lo que están haciendo es variar este coeficiente y con ello claro está la fuerza aerodinámica de arrastre. El Cx de un Formula 1 suele ser el doble de un coche de calle, siendo un poco más alto en aquellos grandes premios donde no es demasiado importante la velocidad punta y es más importante el agarre. Estando su valor entre 0,7 (Monza) y 1,1 (Mónaco) aproximadamente.
A partir de los ensayos realizados en el tunel de viento se tienen valores de la Fuerza de Arrastre para una determinada densidad del aire y para una determinada velocidad de este, pudiendo entonces calcular de forma experimental, sustituyendo en la fórmula, el Coeficiente Aerodinámico de Arrastre que podemos suponer constante para cualquier velocidad y/o densidad en los intervalos en los que se mueve un Formula 1. El producto Cx·S se utiliza para comparar diferentes configuraciones del vehículo o diferentes vehículos. Cuando en un gran premio reglan los alerones, el morro, etc, lo que están haciendo es variar este coeficiente y con ello claro está la fuerza aerodinámica de arrastre. El Cx de un Formula 1 suele ser el doble de un coche de calle, siendo un poco más alto en aquellos grandes premios donde no es demasiado importante la velocidad punta y es más importante el agarre. Estando su valor entre 0,7 (Monza) y 1,1 (Mónaco) aproximadamente.
Como antes comentabamos, si el centro de presiones está desplazado respecto al centro de gravedad se producen momentos que hacen inestable al vehículo. Si el cdp esta adelantado respecto al cdg por ejemplo, si la sustentación que se produce es positiva y no hay downforce se produciría un desgaste menor en los neumáticos delanteros y un menor agarre de estos provocando subviraje (tendencia a seguir recto en curva). Si no hay downforce y el cdp está retrasado respecto al cdg se producirá menor agarre en los neumáticos traseros y sobreviraje (tendencia a girar más de lo debido).
Si aparece viento lateral y el cdp y cdg están desplazados en función de la dirección de este podría aumentar la posibilidad de producirse sobreviraje o subviraje.
Es por esto que se busca la mayor estabilidad del vehículo regulando para cada circuito el centro de presion y el de gravedad, para ello se puede actuar sobre superficies aerodinámicas y sobre el reparto de pesos del coche respectivamente hasta dar con los reglajes que proporcionen el mejor comportamiento del monoplaza. Entre otras cosas es a esto a lo que se dedican los viernes.
Pues esto ha sido todo, por el momento.
Espero que sea de vuestro interes el artículo. Si surge alguna duda dejadmela, por favor, en los comentarios…
Asociaciones
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Wow!! mu currao e interesante.. da gusto leerlo, asi podemos saber de qué hablan los que saben de esto. Gracias!
Nada tron, para eso estamos…
Me alegro de que te haya gustado el artículo.
Felicitaciones por el articulo, la verdad muy detallado e interesante para los que tenemos un fanatismo por esta categoria.
La verdad es que no soy un experto pero hay algunas cosillas que segun yo tengo entendido deberias revisar. De todos modos me parece un gran articulo, muy util para alguien que no tenga conocimientos del tema.
- El suelo rodante de los tuneles, creo q se utiliza para evitar que se cree capa limite entre el suelo y la corriente de aire. ya que si se crea la capa limite el aire pierde energia y las medidas no son reales. Hacer girar las ruedas solo les costaria un par de cables mas, no les hace falta montar algo tan complejo.
- Encuanto al tema de la separacion del cdg y el cdp. De acuerdo en que la situacion perfecta seria que fuesen coincidentes, y que al encontrarse separados inducen inestabilidad. Pero creo que la inestabilidad inducida por esta distancia es totalmente despreciable respecto de otros factores. Cuando tenemos una configuracion aerodinamica dada, el cdp permanece constante, de este modo el cdg deberia permanecer constante y por lo tanto el reparto de pesos. Pero esto no ocurre asi, ya que el reparto de pesos cambia de un gran premio a otro. La posicion del cdg desempeña un papel fundamental en el comportamiento mecanico del coche (atrasado implica mayor aceleracion, pero tb mas sobreviraje…etc,) dependiendo del circuito nos puede interesar tener el cdg mas o menos adelantado, por eso mueven principalemente el cdg.
-Decir que un F1 tiene sustentacion, siento la expresion, pero me parece una burrada. Un F1 a partir de unos 180Km/h podria andar por el techo, esto se debe al downforce (lo contrario que la sustentacion) que genera a esta velocidad.
-El tema de los coeficientes me parece especialmente interesante pero tiene pequeñas puntualizaciones. La superficie de referencia depende del ambito en que nos movamos, no puede ser cualquiera, en automocion es la superficie frontal, mientras que en aeronautica es la superficie en planta. El coeficiente de interes cambia dependiendo del circuito. En monaco te interesa generar el mayor downforce, no te importa incrementar el Cx ya que como la velocidad es baja la resistencia tambien es baja. En monza por el contrario si es importante el Cx ya que al ser un circuito rapido te interesa trabajar en una zona de maxima eficiencia, el mayor downforce con la menor resistencia.
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