AERODINÁMICA EN LA AUTOMOTRIZ

Introducción 

Uno de los factores de mayor importancia a tener en cuenta en el mundo de la competición automovilística y más en la F1 y sus variantes, es la aerodinámica, es decir, el estudio del movimiento del aire durante su paso por el vehículo cuando este circula a gran velocidad. 

El aire atmosférico es algo que siempre está presente en el entorno que nos rodea y, a pesar de ser un gas fundamental para la vida en nuestro planeta, (y para el funcionamiento vital de un vehículo, el motor) muchas veces se convierte en un obstáculo inevitable cuya presencia dificulta y nos pone trabas a la hora de aprovechar al máximo el rendimiento que un vehículo puede ofrecernos debido a la resistencia que opone el aire al ser atravesado a gran velocidad. 

Por otra parte, los efectos aerodinámicos, bien aprovechados pueden ayudarnos a obtener prestaciones que con otros métodos serían imposibles de lograr como el ya nombrado “downforce” el cual nos permite, aprovechando la dinámica de fluidos, apurar el tiempo en curvas de manera extraordinaria.

La resistencia aerodinámica

Se denomina resistencia aerodinámica, al componente de la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire en la dirección de la velocidad relativa entre el aire y el cuerpo. La resistencia es siempre de sentido opuesto a dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire. 

De manera más general, para un cuerpo en movimiento en el seno de un fluido cualquiera, tal componente recibe el nombre de resistencia fluidodinámica. 

Al igual que con otras fuerzas aerodinámicas, se utilizan coeficientes aerodinámicos que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamientos a través del aire. Su coeficiente asociado es conocido popularmente como coeficiente de penetración, coeficiente de resistencia o coeficiente aerodinámico, siendo esta última denominación especialmente incorrecta ya que existen varias fuerzas aerodinámicas, con sus respectivos coeficientes aerodinámicos, y cada uno de ellos tiene un significado diferente. En este proyecto nos referiremos a dicho coeficiente como coeficiente de resistencia aerodinámica.

El coeficiente de resistencia aerodinámica en la automoción

La fuerza que sufre el vehículo por su paso a través del aire, depende de muchos factores, la fórmula que nos proporciona dicha fuerza total creada por un automóvil en movimiento se ve en la ecuación 1 cuyo valor lo representaremos como Fxa, expresado en N.

Como se aprecia, la fuerza de resistencia aerodinámica varía en función del área frontal del vehículo, ya que cuanto mayor sea esta, mayor fuerza de avance tendrá que realizar el motor del mismo para vencer la fuerza de penetración en el aire. 

De la velocidad relativa aire-vehículo, este es uno de los factores de mayor importancia, ya que en la ecuación se encuentra elevado al cubo, lo que significa que la fuerza de resistencia aerodinámica no varía linealmente con la velocidad, si no exponencialmente, lo que implica que viajar a 300km/h en un vehículo implique una fuerza muchísimo mayor que viajar con el mismo a 100km/h. 

Como se ve en la ecuación la densidad del aire también tiene un cierto grado de importancia, cuando mayor densidad, mayor fuerza de resistencia aerodinámica. Y por último, tenemos el factor característico de la geometría y diseño de cada vehículo, el coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx), este es el factor que diferencia aerodinámicamente a cada vehículo y que nos indica su grado de facilidad o no de fluir con mayor o menor facilidad a través del aire.

El coeficiente de resistencia aerodinámica

El coeficiente de resistencia aerodinámica (Cx) es como ya se ha dicho, la expresión de la resistencia que ofrece un cuerpo a moverse dentro de un fluido por razón de su forma. Se toma como un coeficiente adimensional, a partir de la resistencia que hace una plancha cuadrada de metal, de 1m de lado. Al coeficiente de la plancha se le atribuye el valor de 1, y a otros cuerpos de les atribuye un valor como referencia a este. 

Hasta cierto punto, el Cx es independiente del tamaño del cuerpo y de la velocidad del fluido. A partir de cierto punto, puede haber variaciones en el Cx por cualquiera de las dos causas. Por esta razón, cuando se trabaja con modelos a escala para estudiar la aerodinámica de una forma, esta escala no suele ser menor en proporción de 1 a 5. 

Para encontrar el coeficiente de resistencia aerodinámica, la manera más eficaz es ensayando el vehículo en un túnel de viento, como se muestra en la figura 8.2.

La aerodinámica en la F1

Las turbulencias generadas por los alerones y las ruedas al descubierto por su paso a altas velocidades a través del aire, así como el flujo de aire necesario para refrigerar el motor y los frenos, todos estos efectos frena al F1 mucho más que a un coche de calle. A pesar de que un F1 pasa de 0 a 300km/h en pocos segundos, su aerodinámica dificulta enormemente que los F1 puedan superar los 350km/h, al sacrificar la velocidad punta por una mayor velocidad de paso por curva rápida. 

Esta alta resistencia al avance hace que cuando un F1 llega a los 300km/h en una curva, sólo con levantar el pie del acelerador la deceleración sea de 1G, similar a la deceleración de un coche de calle de altas prestaciones utilizando el máximo de sus frenos, debido entre otros factores como el freno motor y su bajo peso, a la fuerza de resistencia aerodinámica que sufre el vehículo a tales velocidades. 

En la tabla 8.1, se pueden apreciar diferentes valores de coeficientes aerodinámicos en vehículos convencionales y en un F1 con reglajes especiales para el circuito de velocidad de Montmeló (7).

Como se ha dicho y como se aprecian en la tabla, los coeficientes de resistencia aerodinámica de los F1, en comparación con los de algunas vehículos de calle se podrían considerar elevados, esto se debe básicamente a que la aerodinámica de un F1 está pensada para su aprovechamiento en curvas mediante el efecto downforce, sacrificando efectividad en cuanto a resistencia aerodinámica frontal, ya que todo en este ámbito es compromiso, se sacrifican unas prestaciones para obtener otras en función de las necesidades que más nos interese cubrir.

El downforce

Los alerones de un F1 operan igual que las alas de un avión pero al revés. El aire fluye a diferentes velocidades por los dos lados del ala por tener que recorrer distancias diferentes y esto crea una diferencia de presión según el principio de Bernoulli. En los aviones esa diferencia de presiones produce sustentación para mantenerlo en el aire, y en un F1 produce lo contrario a la sustentación, es decir, carga aerodinámica empujándolo hacia abajo. 

La carga aerodinámica es mayor cuanto mayor sea la velocidad del monoplaza y a 130km/h la carga aerodinámica de un F1 ya es similar al propio peso del monoplaza. Este dato significa que un F1 podría rodar por el techo a velocidades superiores a los 130km/h, adaptando, lógicamente los sistemas de alimentación de combustible y aceite. A alta velocidad, el downforce llega a triplicar el peso del coche. 

Así, el downforce permite a un F1 tener velocidades de paso por curva rápida increíbles, y pasar por curvas como Eau Rouge a más de 300km/h cuando los mejores turismos de carreras no pueden superarla a más de 150-160km/h. 

La fuerza downforce, o fuerza de resistencia aerodinámica vertical viene dada también como en el caso de la fuerza de resistencia aerodinámica mediante una expresión representada en la ecuación 2.

Como se aprecia, la expresión de fuerza de resistencia aerodinámica vertical es prácticamente idéntica a la de fuerza de resistencia aerodinámica longitudinal. El signo de la fuerza ejercida según nuestros ejes de referencia en el caso de la ecuación de la fuerza de resistencia aerodinámica vertical es siempre positivo, a diferencia del signo de la expresión de la fuerza aerodinámica longitudinal, que siempre dará negativo (siempre la velocidad relativa del vehículo respecto del viento tenga dirección positiva es decir, prácticamente siempre).

Cálculo del downforce

Porcentaje de carga aerodinámica vertical 

Como es sabido, el diseño geométrico de un F1 (la zona que podríamos llamar mojada, es decir, en contacto directo con el aire en movimiento) es el responsable de la dinámica del vehículo frente a su paro a través del aire. Todo el diseño en si (desde los retrovisores, hasta las aletas, difusores etc) está pensado para garantizar unas exigencias aerodinámicas determinadas, pero entre todas las partes que componen la zona exterior de un F1, encontramos dos piezas concretas que son las máximas responsables de aprovechar el aire en movimiento para pegar el vehículo contra el asfalto, estas son el alerón delantero y el alerón trasero, figura 8.3.

La gran mayoría de carga aerodinámica vertical la ejercen los dos elementos mostrados, pero otras zonas también cumplen en cierto modo la función de alerón, por lo tanto, la carga aerodinámica total downforce se puede descomponer en 3 porcentajes, un 30% de la carga que recae sobre el alerón delantero, un 40% de la carga que recae en el alerón trasero, y el 30% en una zona central que se tomará como en el centro de gravedad del vehículo8 , como se muestra en la figura 8.4.

Como se aprecia en la figura anterior, en un caso concreto de vehículo F1 circulando a muy altas velocidades (alrededor de su máxima velocidad) la carga total ejercida por el donwforce en el caso de la figura es de 1.800kg. 

Esta es una carga realmente importante si se quiere realizar un correcto diseño de la suspensión de un F1, ya que esta, (entre otras) soporta casi de forma directa los esfuerzos provocados por las elevadas cargas aerodinámicas verticales.

Cálculo de la carga total aerodinámica vertical 

Para el cálculo de la carga total aerodinámica vertical es primordial conocer de antemano el valor del coeficiente de carga aerodinámica vertical, característica de cada vehículo. 

En la tabla 8.29 se muestran diferentes valores de diferentes coeficientes tanto Cx como Cz para diferentes reglajes de un mismo vehículo para diferentes circuitos. También se muestran las velocidades máximas y la carga aerodinámica expresada en kg a dicha velocidad.

Una vez disponemos de la carga a una determinada velocidad, el coeficiente Ca y la velocidad, (además de la densidad del aire por ser dato disponible) resulta sencillo calcular con la ecuación 2 el área de superficie en planta responsable de la carga vertical aerodinámica. Una vez obtenemos ese dato, disponemos de todas las herramientas para calcular el valor de downforce en función de todo el rango de velocidades del vehículo desde parado hasta su velocidad máxima. Todos estos cálculos se encuentran en el Anexo del presente proyecto. 

Hay que tener en cuenta también, que tanto el coeficiente Cx como el coeficiente Cz sufren un ligero cambio de valor en función de la velocidad, ya que hay elementos del vehículo que se comportan de una determinada manera a una determinada velocidad de penetración del aire, y otros que se comportan de otra, pero en este proyecto, y al no tratar en profundidad sobre el tema aerodinámica, tomaremos el valor como constante, pero aplicando un factor de mayoración de las cargas, tanto verticales como horizontales para asegurar compensar aproximaciones en el diseño.

Resistencia aerodinámica de los elementos de suspensión

En el mundo de la competición cada décima de segundo a tu favor o en tu contra cuenta, estamos hablando de un deporte/ingeniería en el cual todos y cada unos de los elementos del vehículo tienen que estar optimizados al máximo para garantizar la mínima pérdida de tiempo por vuelta, y la aerodinámica tiene una influencia aplastante en este aspecto. 

En el sistema de suspensión objeto de diseño en este proyecto, los elementos como muelles, amortiguadores, anclajes a chasis y a manguetas etc. Van “escondidos” del paso del contacto directo del flujo de aire en movimiento, por lo que los efectos aerodinámicos no tendrán efecto alguno apreciable en ellos, pero hay elementos, como los brazos de suspensión que sí van descubiertos y entran en contacto directo con el flujo que nos rodea, lo que implica que un mal diseño aerodinámico de los mismos aumente el Drag y por tanto pueda llegar a restar tiempo por vuelta, por este motivo, el perfil de los brazos de suspensión se diseñarán lo más aerodinámicos posibles para ofrecer la menor resistencia al paso del viento posible, cumpliendo con los criterios de rigidez exigidos. 

En F1 van más allá de todo esto, no solo se diseñan los perfiles de la manera más aerodinámica posible, si no aprovechando su estancia ante el paso del fluido para reconducir el aire según las necesidades, favorecer la entrada de aire en el difusor además de innumerables inventos de ingeniería avanzada que aquí no contemplaremos.

Resistencia aerodinámica en función de la geometría

Cuando un objeto circula por un flujo de aire, las partículas del gas que primeramente se encuentran con el objeto chocan contra este en su zona frontal, a ejemplos prácticos podría considerarse como un accidente en una autopista, si imaginamos que una roca (representado al objeto) cae en medio de una carretera transitada a gran velocidad, los coches, (representando a las partículas de aire) chocarán contra ella, lo que a efectos fluidodinámicos se podría interpretar como un aumento de presión en la parte de choque directo entre el gas y el objeto. 

Siguiendo con el ejemplo, una vez los vehículos han reaccionado después del choque, girarán y evitarán la roca, continuando su marcha por ambos laterales de la misma, esquivando el objeto y uniéndose a la circulación normal una vez pasada la roca, lo que implica que en la zona posterior de la roca, quede un hueco vacío de coches, que físicamente se podría interpretar como una disminución de presión o incluso para no complicarnos, ausencia de ella. Entender lo que le pasa al objeto una vez explicado este es sencillo, a nivel de dinámica de fluidos, en la parte delantera del objeto tendremos un nivel de presión más elevada respecto al resto del ambiente, lo que a efectos físicos equivale a una fuerza empujando al objeto en la misma dirección de avance del fluido. Por consiguiente, en la parte trasera del objeto, donde tenemos menos presión (lo que en el argot automovilístico suele llamarse rebufo) lo que implica una fuerza que tiende a absorver el objeto, a succionarlo, de igual manera que cuando tomamos el zumo de una pajita, lo que implica otra fuerza más en la misma dirección otra vez de la velocidad del viento. En la figura 8.5 se ve claramente la zona de choque de artículas de aire por la zona delantera, y la ausencia de las mismas en la zona posterior (rebufo).

Queda claro entonces que para dotar a un objeto de la menor resistencia aerodinámica posible, es importante evitar estos dos fenómenos, en la figura 8.6 se muestran tres objetos diferentes, y el comportamiento de cada uno de ellos frente al flujo de viento.

Figura 8.6. Comportamiento aerodinámico de una esfera, un plano aerodinámico y una superficie cuadrangular

Como se aprecia en la figura, el objeto que corta el flujo de aire con menos brusquedad y que después permite unir las dos corrientes que pasa a su alrededor nuevamente de forma controlada y suavizada es el plano aerodinámico. 

En la figura 8.7, se muestran diferentes valores de coeficientes de resistencia aerodinámicos para diferentes formas geométricas. Como se ve, el cuerpo que presenta un menor coeficiente es el “Streamlined Body” o cuerpo aerodinámico, con una valor de Cx=0.04.

En nuestro diseño, las secciones de los brazos de suspensión, tendrán un perfil que cortará el flujo de aire, es decir, en dirección horizontal o X en nuestro sistema de referencia, con una sección lo más próxima a un perfil aerodinámico o con forma de gota de agua, como el de la figura, para que de esta manera, la suspensión ofrezca la menor resistencia al paso del aire posible.

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