Diseñando perfección. (Parte 1)

INTRODUCCIÓN

Venimos oyendo en los últimos años que la Formula 1 se ha convertido en un campeonato de ingenieros más que de pilotos, y desde luego, cierto es. Pero creo que aún se podría concretar más, pues cuando hablamos de ingeniería ya poco se habla de lo que serían propiamente motores o elementos mecánicos, sino que hoy día los equipos centran sus esfuerzos, principalmente, en el aspecto aerodinámico de los monoplazas.

Por lo anterior, que mejor que intentar dar un poco de luz a dicha cuestión, es decir, vamos a intenetar sucintamente, explicar en la medida de lo que nuestros escasos conocimientos nos lo permitan, cómo se diseña un monoplaza de Fórmula 1, en lo que a sus líneas y formas respecta.

En primer lugar hemos de dejar constancia, que para cumplir el perseguido objetivo, los ingenieros aerodinamistas utilizan, en esencia, dos elementos. Por un lado, el tunel del viento y por otro el CFD, o lo que es lo mismo, la Dinámica Computacional de Fluidos.

Ambos forman el núcleo duro hacia donde los equipos deben enfocar su trabajo para lograr alcanzar los tan ansiados resultados, y pocos ingenieros son capaces de tan siquiera, pensar en separar este binomio. De hecho, el primer equipo en utilizar únicamente, uno de ellos, en este caso el CFD, fue el equipo VIrgin, si bien, no por decisión propia, sino por decisión impuesta, tema de costes e imposibilidad de usar tunel del viento, y bueno, a tenor de los resultados poco se ha de añadir.

Para cumplir nuestro propósito haremos una pequeña compilación de tres artículos, siendo este, el primero de ellos. En este trabajo analizaremos los dos instrumentos básicos que acabamos de mencionar y finalizaremos esta pequeña obra con una serie de conclusiones.

Así pues, sin más dilación pasamos  la primera de las tres partes:

EL TUNEL DE VIENTO
 

¿Qué es un túnel de viento?

Dentro de la industria automovilística podríamos decir que los túneles de viento son una instalación consistente en un circuito cerrado donde el aire es acelerado por una enorme turbina hacia una zona que se denomina, área de pruebas, que es donde los ingenieros colocan, en nuestro caso, la maqueta del monoplaza sobre el que se efectuaran los oportunos ensayos. Vemos, en la siguiente imagen, un ejemplo:

Se ha de tener presente que, dada la relatividad del movimiento y ciertas condiciones en lo que respecta al suelo donde se situa el monoplaza, se puede concluir que, un vehículo en movimiento a través de aire en reposo, sería equivalente, o mejor dicho, es equivalente, a  ese mismo vehículo en reposo frente a un flujo de aire que se desplaza en la misma dirección pero en sentido opuesto.
Pues bien, para realizar dichas pruebas, el suelo , donde apoyan las ruedas del automóvil ,es el que sufre el movimiento, por ende, las ruedas padecen el mismo.

¿ Para qué sirve el túnel de viento?

Esencialmente, su función es, procurar el estudio del comportamiento aerodinámico del coche, es decir, calcular coeficientes aerodinámicos, fuerzas, centros de presiones y momentos aerodinámicos.
Esto se realiza diseñando una maqueta, que será una reproducción fidedigna, aunque a escala, de su homónimo real. Como curiosidad comentar que el tamaño de la maqueta, según el reglamento de la FIA, no podrá ser superior a un 60% del tamaño del vehículo real, es decir, deberá ser cómo máximo algo más grande que la mitad del monoplaza. La misma se equipa con transductores (sensores ) de presión, para así obtener una distribución de presiones a partir de las cuales calcular numéricamente las diversas fuerzas que se producen en el vehículo.

En cada punto de la superficie de la maqueta, que sería trasladable al vehículo en sí, se producen dos tipos de fuerzas que tienen que ver con su movimiento en un fluido, como es el aire. La primera de ellas es la fuerza de presión que el propio fluido ejerce ( normal a la superficie) y la segunda de ellas es la fuerza de rozamiento con el fluido debido a efectos viscosos (tangencial a la superficie)

Con las pruebas que se realizan en el tunel se logra conocer las distribuciones de presiones con las que posteriomente mediante métodos numéricos se obtienen las distribuciones de fuerzas, las cuales se sumaran, y una vez tengamos la operación , obtendremos la resultante que aplicamos en el centro de presiones del vehículo previo calculo del mismo. El mencionado centro de presiones (cdp) del monoplaza es el lugar donde se aplica la resultante del sumatorio de las fuerzas aerodinámicas. Es importante no confundir el cdp, con el centro de gravedad del vehículo, (cdg), que es donde se aplica la resultante de las diversas fuerzas de gravedad que afectan al mismo.  

 Pues bien, si ambos centros divergen en exceso respecto de su posición en el vehículo, éste será inestable, de ahí que oigamos en numerosas ocasiones, especialmente en los entrenamientos libres, que se ha de ajustar el reparto de pesos, para compensar esas posibles divergencias, es decir, para que ambos centros cohabiten en el menos espacio posiblo, o dicho de otra manera, que coincidan. Este apartado tendrá mucho que ver con la tendencia del coche, es decir, si este es subvirador o sobrevirador, así como el desgaste de unos neumáticos en mayor medida que otros, por ello, los equipos deben de ajustar los centros de tal forma que formen el equilibrio perfecto entre cada uno de los trazados y el estilo de conducción del piloto.

 

De las imágenes anteriores se observa que las resultantes de las fuerzas aerodinámicas tienen una componente en el eje x que es opuesta a la dirección del vehículo, llamada Fuerza de Arrastre (Fx) o Resistencia aerodinámica, y una componentente en el eje vertical que tiende a elevar a este, llamada fuerza de sustentación.

En la Formula 1 se persigue el equilibrio que minimice la fuerza de arrastre y la fuerza de sustentación, es más, se busca que respecto esa fuerza de sustentación en lugar de que tienda a ir hacia arriba vaya hacia abajo (downforce) para lograr así un mayor agarre a la pista y una mejor tracción del monoplaza.

Podríamos ahondar más en la cuestión, pues como hemos dicho estás son las dos fuerzas más significativas que influyen en el comportamiento del monoplaza, pero no las únicas, pues representarían un 70-75 %. Por poner un ejemplo las fuerzas de rozamiento aerodinámico supondrían entre un 10-15 %, pero no vamos a tratar dicha cuestión.

Una vez los ingenieros han logrado concluir las fuerzas se sacan unos coeficientes adimensionales, que son los llamados coeficientes aerodinámicos. En la Fórmula 1 es de especial importancia el coeficiente de arrastre (Cx) que responde a la siguiente fórmula:

Donde tenemos que:

Cx = Coeficiente de arrastre.
Fx= Fuerza
p= densidad, en este caso del aire a través del cual circula el vehículo.
V= velocidad del vehículo.
S= valor, en metros cuadrados de la parte frontal del monoplaza.

Una vez realizadas las pruebas y obtenido los correspondientes valores, tanto de fuerza como del coeficiente de arrastre para una determinada velocidad y densidad del aire, se puede suponer que el coeficiente se mantendrá constante para cualquier velocidad y/o densidad en los intérvalos en los que se mueven los vehículos. Pues bien, es de vital importancia el coeficiente de arrastre, ya que su producto por la superficie, Cx * S, se utiliza para reglar los alerones, que dependiendo de la inclinación en que estén fijados, S, es decir la supercie variará, y con ello, evidentemente lo hará Cx. El Cx evidentemente será mayor en circuitos como Mónaco o Budapest, mientras que será menor, por ejemplo en Monza.

Con lo anterior concluimos esta primera parte de la trilogía y prometemos tener lista en breve la segunda, en la que analizaremos el segundo de los elementos, la Dinámica Computacional de Fluidos.

Sergio.