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| En la foto se puede apreciar a un F1 con FloViz, una parafina utilizada para que se disperse sobre el vehículo cuando el aire circulo alrededor de este a altas velocidades. Esto sirve para analizar el comportamiento del aire sobre el coche. |
Ayrton Senna dijo: "El coche debe es una extensión del cuerpo".
El tres veces campeón del mundo nos
sorprende otra vez con su sabiduría, el aire es tan vital para nosotros como el
agua, y siendo el coche una extensión de nosotros, podemos decir que este es
igual de vital para el coche ya que el comportamiento que tenga el aire
alrededor del coche es de enorme importancia para su funcionamiento, además los motores
dependen del aire por ser atmosféricos; así que los F1 son parte de la
humanidad de sus conductores, siendo el aire lo que los impulsa a la gloria.
La aerodinámica es una ciencia o rama de
la Física la cual por medio de cálculos de fluidos y presión de temperatura
lleva a cabo el entendimiento y modificación del comportamiento de fluidos
gaseosos en torno a un área o situación en especifica; por lo tanto también se
considera como la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que
aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre
éstos y el fluido que los baña, siendo éste último un gas y no un líquido, caso
éste que se estudia en hidrodinámica, la aerodinámica es uno de los factores
más influyentes en la F1.
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.
Por ello, 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 (fuerza descendente que empuja el cuerpo
hacia abajo, generando agarre a la superficie) en vez de Sustentación.
CONCEPTOS
BÁSICOS
VISCOCIDAD
Cuántas veces hemos confundido densidad y viscosidad; un aceite es menos denso que el agua (por eso flota en ella), pero es más viscoso.
La viscosidad es la resistencia que
posee todo fluido a deformarse por la acción de una fuerza cualquiera. No tiene
nada que ver con la densidad, que es la que cuantifica la cantidad de moléculas
por unidad de volumen; la viscosidad es una propiedad digamos dinámica;
mientras no existe movimiento, no se hace patente y no se puede cuantificar.
La viscosidad es la propiedad del aire
más importante; sin su existencia, no existiría ningún fenómeno dinámico, tal
como la sustentación, por ejemplo. Como veremos más adelante, es la responsable
directa de la existencia de la llamada capa límite y sin ella, no existirían
las fuerzas aerodinámicas; de hecho, las ecuaciones que rigen la dinámica del
aire, son muy complejas; para resolverlas, existen muchos procedimientos
matemáticos, y uno de ellos, es la simplificación de dichas ecuaciones o
modelos matemáticos para que sea más fácil el resolverlos; la simplificación
inicial (y burda o irreal) es la de suponer que la viscosidad es nula; bajo
esta hipótesis, resulta que las turbulencias no existen; el modelo se podrá
entonces resolver, pero no es más que una simplificación, no la realidad; en la
vida real, el 99.9% de todas las dinámicas de cualquier fluido, son
turbulentas.
EFECTO
COANDA
El efecto Coanda es una serie de sucesos que describen el comportamiento de un fluido al impactar con una superficie. Este principio sostiene que todos los fluidos tienden a ser “atraídos” por otras superficies próximas en lugar de rebotar o desviarse, como sucedería con un sólido.
¿Cómo se produce este efecto? En
términos sencillos, el principal agente de este efecto es la viscosidad del
fluido. Cuando este impacta por primera vez con un cuerpo de contorno curvo y
suave, la viscosidad del fluido hace que las partículas queden temporalmente
adheridas a la superficie del cuerpo sólido, creando una lámina uniforme y paralela
al contorno del cuerpo, como si de plastilina se tratase. Las sucesivas
partículas que impactan posteriormente con el cuerpo generarán nuevas capas
paralelas a la inicial, resultando en una progresiva desviación de la
trayectoria del fluido.
Este efecto, aparentemente invisible, es
empleado a diario en la aviación y el automovilismo. Los monoplazas de Fórmula
1, por ejemplo, se caracterizan por una carrocería repleta de curvas suaves y
uniformes, especialmente en la zona de los pontones laterales, que,
aprovechando el efecto Coanda, permiten canalizar la mayor cantidad de aire
posible hacia zonas determinadas como el fondo plano, los difusores o los
alerones, que afectan directamente al agarre o la velocidad punta.
El efecto Coanda es un pilar esencial en
campos como el automovilismo y la aviación.
RESISTENCIA
AERODINÁMICA O DRAG
También conocido como resistencia aerodinámica o resistencia al arrastre, es la combinación de los efectos anteriores sobre un objeto que se desplace a través de cualquier fluido (aire en nuestro caso). La cantidad de esa resistencia al avance dependerá de:
• La
densidad del fluido a atravesar.
• El
ángulo de incidencia entre el objeto y la componente direccional de avance (de
lo que se deduce que cada forma de objeto tiene una resistencia específica).
• La
cantidad de superficie en contacto con el fluido.
• De
la velocidad a la que se desplaza el objeto a través del fluido (o viceversa).
EFECTO
VENTURI, PRINCIPIO DE BERNOULLI Y EL EFECTO SUELO
El efecto Venturo está relacionado con la velocidad y presión del fluido. suponiendo que tenemos un conducto cerrado por el cual pasa un fluido, bien sea líquido o gaseoso, la presión que este ejerce sobre las paredes del conducto disminuye cuando aumenta la velocidad al pasar por una sección más estrecha; o lo que es lo mismo, a medida que el área transversal por el que pasa un fluido disminuye, la velocidad del mismo aumenta, y como las partículas de ese fluido tienen menos tiempo para aplicar fuerza sobre las superficies del conducto, la presión disminuye. Cuando el aumento de velocidad es grande, la presión disminuye en exceso llegando a equipararse con una presión de vacío, o con la generación de succión, esto último tiene aplicaciones importantes en el automovilismo.
El Principio de Bernoulli está relacionado con la energía, pero este basa en un conducto en el que la fuerza de rozamiento entre el fluido y la superficie del conducto es despreciable: La energía de un fluido ideal que pasa por un conducto cerrado es constante, independientemente de su velocidad o presión. Es decir, la sumatoria energía de un fluido que circula por un conducto cerrado debe ser siempre la misma, si la energía cinemática (energía debido al movimiento) disminuye, la energía debido a la presión aumenta y viceversa, de este modo la energía del fluido siempre será constante.
El efecto Venturi, evidentemente, parte del principio de Bernoulli y en el principio de la continuidad de la masa.
Según
el principio de continuidad de masa, si la energía cinética aumenta, la energía
determinada por el valor de la presión disminuye, o viceversa, y como resultado
la energía se mantiene constante, tal y como dice el Principio de Bernoulli.
CARGA AERODINÁMICA
La carga aerodinámica o downforce es una fuerza vertical descendiente. El propósito de la carga aerodinámica es aumentar la fuerza vertical de los neumáticos y así tener más adherencia y poder tomar las curvas más rápido.
Para aumentar la adherencia de los
neumáticos también se podría añadir peso al coche, el problema es que este
haría que el coche fuese más lento porque pesa más, lo que se usa para no
penalizar el ritmo por vuelta es la carga aerodinámica, que aumenta la
adherencia de los neumáticos y hace un coche mucho más rápido.
Para que quede más claro este concepto tienes que imaginarte a un avión. Un avión utiliza unas alas para volar, pues bien, si le damos la vuelta a esas alas conseguimos que el avión en vez de levantarse, se pegue al suelo, eso es la carga aerodinámica.
VORTICIDAD
Y VÓRTICES
La vorticidad es una magnitud física
empleada en mecánica de fluidos y en el mundo meteorológico para cuantificar la
rotación de un fluido, continuaremos definiendo vortice.
Vórtice:
Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas. Como vórtice puede considerarse cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee vorticidad. La vorticidad es un concepto matemático usado en dinámica de fluidos que se puede relacionar con la cantidad de circulación o rotación de un fluido. La vorticidad se define como la circulación por unidad de área en un punto del flujo.
El movimiento de un fluido se puede
denominar solenoidal si el fluido gira en círculo o en hélice, o de forma
general si tiende a rotar en torno a un eje. Los vórtices básicamente son un
flujo de aire turbulento con una trayectoria cerrada. En otras palabras, son
flujos de aire que están separados del resto porque no se mezclan con el aire
que los rodea. El concepto es similar a un huracán o un tornado, pero la
diferencia es que el vórtice es mucho más pequeño, pero la idea es muy
parecida.
CAPA
LÍMITE
En la evolución del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, dicho aire se pega sobre el cuerpo creando una capa muy fina de moléculas en principio. Al discurrir sobre esta fina capa, más moléculas del mismo aire, y debido a la viscosidad principalmente, estas últimas ralentizan su velocidad, debido a que discurren sobre otras moléculas; así capa tras capa, se forma una capa de moléculas de aire, cuya última, posee ya casi la misma velocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite; técnicamente se define capa límite y su espesor, como el espesor a partir del cual, la velocidad es del 99% del flujo real.
En cuerpos relativamente pequeños como
lo es un coche de competición, suele tener como máximo unos pocos milímetros, y
ni tan siquiera tanto. Todo depende de la longitud del cuerpo, en relación al
sentido de la dinámica; por esta razón, en trenes y al final de ellos, la capa
límite puede llegar hasta 0.5 metros; de hecho y si lo pudiéramos hacer,
podríamos sacar la mano al final y sobre el techo de este último vagón, y
apenas notaríamos la velocidad del aire.
Podemos concluir diciendo, que la
velocidad del aire, justo en la superficie de todo cuerpo en movimiento, es
cero. Esta capa límite, es la responsable de este efecto.
Por último, les dejo un pequeño esquema
en el que se ve la relación de los efectos explicados en este artículo:
