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Tunel de viento, aerodinámica y Formula 1

Lunes, 25 de Febrero de 2013
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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:

Fuente imagen: www.lasprovincias.es

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:
tunel-viento-02


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).
distribucion-fuerzas
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:


resultantes


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:


cx


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.


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…


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¿Cómo funciona el difusor de Brawn GP?

Lunes, 25 de Febrero de 2013
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¡Cómo está el tema con los difusores en la Formula 1! Vamos a intentar desvelar que hay detrás de la “magia” del polémico difusor de Brawn GP. Veamos primero la pieza en cuestión para posteriormente pasar a verla en funcionamiento en conjunto con el resto del monoplaza.

difusor-brawn-gp_detalle

Ahí lo tenemos. Se trata de una pieza que va colocada en altura un poco por debajo del eje de giro de las ruedas traseras y un poco por detrás de este. La parte de delante del mismo, que no se aprecia en la foto, lleva una especie de rampa inclinada a ambos lados de atrás a delante y hacia abajo, y en el centro una especie de V con una inclinación más suave.

Según apuntan por numerosos sitios lo que parece aportar este difusor es un mayor efecto suelo en el coche. Y alguien pensará… ¿Qué es eso del efecto suelo?, Pues muy sencillo es un efecto que se produce por diferencia de presiones en los lados de un cuerpo cuando se acerca al suelo. En la Formula 1 normalmente está motivado por un efecto que descubrió un tal Venturi (efecto Venturi) que consiste en que cuando un fluido es canalizado y se produce en el canal por donde pasa un estrechamiento, el fluido pasa a mayor velocidad por ese estrechamiento disminuyendo en el mismo la presión. Produciendose una especie de succión.

Existe otro efecto suelo utilizado en aeronáutica, pero que es distinto a este. Y por el momento no nos interesa demasiado. Para no desviarnos del tema que nos ocupa.

Dado que siempre vale más una imagen que mil palabras os dejo por aquí una ilustración del curioso efecto venturi:

venturi

Bueno, pues veámos que es lo que pasa en un monoplaza de Formula 1. Advertir que el efecto suelo en un Formula 1 es muy peligroso, ya que si alguien diseña un coche basando su estabilidad y su tracción solamente en ese efecto de succión aerodinámica, podría pasar que si el coche coge un bache y pierde esa succión que lo mantiene pegado al suelo, ya nada le retendría en el mismo y podría salir volando con el consecuente riesgo para pilotos y espectadores. Con lo cual, se trata de que el coche traccione en base a fuerzas de gravedad y downforce aerodinámica, evitando lo máximo posible el efecto suelo.

En la mayoría de los medios se está oyendo que el difusor de Brawn GP produce un gran efecto suelo. En mi humilde opinión no creo que produzca mucho más efecto suelo que los demás. La clave del “mágico” difusor está en su comportamiento con el conjunto aerodinámico del coche. Fijémonos en la siguiente imagen:

difusor-brawn-gp

Las líneas amarillas representan el flujo de aire por debajo del coche. Como se ve hay un estrechamiento y luego una expansión, con lo cual algo de efecto suelo existe, logicamente, pero creo que no más que en otros monoplazas. Ahora bien hay algo muy diferente que es el flujo de aire superior representado por las líneas verdes. Este es dirigido a la parte de arriba del difusor. Al contar este con una especie de rampa en su parte delantera provoca cierta resistencia aerodinámica y cierta “downforce” al mismo tiempo. Vamos que es una especie de aleron abajo. Además al estar acampanado terminado en una V canaliza el aire hacia el vertice de la V posibilitando que el centro de presiones (cdp) no se desplace demasiado lateralmente en curvas y consiguiendo así una gran estabilidad del vehículo (veáse el artículo sobre tunel del viento para más información de cdp). Además al producir este difusor ya bastante downforce por el flujo de aire que le llega por arriba se puede bajar bastante el angulo del ala superior consiguiendo así una menor resistencia al avance del monoplaza y por lo tanto una mayor velocidad. De ahí el segundo de ventaja con el que cuentan.

difusor-brawn-gp4

Como puede verse todo el diseño aerodinámico del coche trabaja en conjunto. Veámos en la imagen de arriba como las carcasas de los huecos de ventilación están perfiladas para que el flujo de aire llegue hasta la parte de arriba del difusor. Tiene un diseño aerodinámico que hace que las diferentes partes del coche trabajen en conjunto. De ahí que no será tan fácil copiarlo, ya que los equipos tendrán que cambiar chasis y disposición de componentes dentro del mismo para poder hacer algo parecido.

Fijémonos por ejemplo, en Mclaren. La filosofía tan distinta de diseño aerodinámico que ha construido, que según lo visto en los tiempos por vuelta parece bastante menos eficiente y que para nada ha contemplado dirigir el flujo aerodinámico superior al difusor:

difusor-mclaren2

El coche es mucho más cuadrado y desvía el fujo superior hacia atrás pero no hacia abajo, hacia el difusor. Pienso que les costará bastante reajustar todo el diseño del vehículo a la filosofía Brawn GP. Si es que la FIA al final da por bueno definitivamente su diseño.

La gente de Brawn GP ha trabajado muy bien la aerodinámica del coche y esa es toda su “magia”. Ahora están obteniendo los frutos de su trabajo. Creo que no están aumentado el efecto suelo, si no que tienen un diseño aerodinámico mucho más perfeccionado que los demás.

Añadido:

Por último os dejo una vista frontal del difusor más detallada y una imagen esquematica con una hipótesis de como van los flujos en el difusor.

difusor-brawn-gp3

flujos-difusor

En la imagen se pueden ver los flujos en la vista de perfil y en la vista en planta desde arriba respectivamente.

Según vemos en el esquema parece que en la zona de debajo de la V se genera una depresión ya que no hay aire, al colarse el aire que viene de los bajos del coche por dentro de la V. De hecho los faldones verticales mas largos a ambos lados de la V muy probablemente están indicando que en esa zona hay baja presión y son más largos para que no se succione aire de los laterales. El aire que pasa por encima del difusor pasa a mayor presión y justo debajo tiene una depresión generada por barrido de la especie de canalización que forma la V que a la entrada no es una V es simplemente una especie de tobera rectangular para barrer el aire que llega de los bajos a esa zona. Con lo que debajo de la V no queda aire y se produce bastante “downforce” por la diferencia de presiones.

Espero que haya sido de vuestro interés el artículo…

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