Flujo arriba, flujo abajo.

Antes de iniciar el desarrollo de este artículo me gustaría en primer lugar disculparme por cuantos errores pueda cometer durante el mismo, pues en esta ocasión el tema para alguien lego en cuestiones como las que vamos a tratar es bastante complejo, por lo que cualquier rectificación será bienvenida. 

La idea de este escribir este artículo nace de la siguiente imagen, y de los apéndices aerodinámicos marcados en rojo.

Al verlos, está claro que es fácil comprender que están ahí para cumplir alguna función aerodinámica, pero cuál es ésta? en qué consisten? son importanes esos "cacharritos" o son más estética que eficacia?  Después de una tarea de investigación, aquí la respuesta.

En diversas ocasiones hemos hablado en este blog sobre la importancia de la aerodinámica en los coches de competición, y en especial en el mundo de la F1. Pues bien, en esta ocasión, para intentar tratar el tema de forma gradual y ordenada empezaremos definiendo que se entiende por aerodinámica.

La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparece sobre los cuerpos sólidos ( en nuestro caso los monoplazas ) cuando existe un movimiento relativo entre éstos y el fluido que los baña, en este caso una mezcla de gases, como es el aire.

Como acabamos de decir, la aerodinámica es una rama de la mecánica de fluidos, por lo que es lógico dar una definición de fluido.

Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles, por lo tanto son deformables y fluyen indefinidamente ante fuerzas externas. El término engloba tanto a los gases como a los líquidos.

Dentro de las propiedades de los fluidos, las que aquí nos interesan son las que se denominan propiedades secundarias; que son la viscosidad, la conductividad térmica, la tensión superficial y la comprensión, en concreto las más relevantes en el campo de la aerodinámica serían la viscosidad y la compresión, pero dado que a velocidades inferiores a la del sonido, como es el caso de los F1, los gases son prácticamente incompresibles nos centraremos únicamente en la primera.

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, en otras palabras,  es la resistencia que se produce entre las capas de partículas cuando se aplica una fuerza contra ellas.

 Acabáis de leer capas de partículas, y es que sí, para estudiar el comportamiento del aire alrededor de un monoplaza, se considera que éste fluye en láminas o capas de partículas, unas encima de otras, que en condiciones normales tienen un movimiento ordenado como posteriormente veremos.

Dejado sentando lo anterior, el siguiente concepto que nos gustaría tratar es el de capa límite.

Si tuviéramos que definir el concepto de capa límite diríamos que es la zona donde el movimiento del fluido es perturbado por la presencia de un sólido, en nuestro caso un coche, con el que está en contacto.

 

Dicho lo anterior, centremos la cuestión. Sobre la pared o superficie del monoplaza, la velocidad relativa del aire es cero, es decir, cuando las partículas del aire contactan con el bólido, se ven arrastradas consigo debido a la fricción, por lo que si tomamos como referencia el propio coche, las partículas tienen velocidad cero.

Por tanto, esa primera lámina del fluido que tiene velocidad relativa cero, tendrá otra capa contigua que fricciona con ella, que se opone a su movimiento, pero dado que como hemos dicho en los gases las partículas tienen una pobre fuerza de cohesión entre sí, únicamente consigue decelerarla, pero no frenarla del todo pese a la fricción. Como os estaréis imaginando, esa segunda capa fricciona con una tercera y así sucesivamente hasta que llega un punto que la fricción se disipa del todo y las capas fluyen con normalidad, que es el punto donde acabaría la capa límite.

Llegados a este punto, parad un segundo y coged aire, ( que bien traído al caso ) porque ahora la cosa se complica. 

Dentro de la capa límite hemos de distinguir entre capa límite laminar y capa límite turbulenta.

Simplificando, en la capa límite laminar el flujo es laminar, es decir, el aire circula ordenado, las capas no se entremezclan y es eficiente a la hora de ser utilizado por alerones, carrocería, etc.

Mientras, en la capa límite turbulenta, el flujo es desordenado, las capas de entremezclan, se crean remolinos y la inestabilidad sobreviene, por lo tanto, es ineficaz para crear carga aerodinámica. Esta capa es ligeramente más gruesa que la laminar, y como el fluido se mueve en todas las direcciones, disipa mayor energía, por lo que la fuerza de fricción deriva de ella es mayor.

 En la primera imagen vemos un flujo laminar, mientras que en la segunda observamos un flujo turbulento.

Pues bien, como habrás podido deducir lo que le interesa a un F1 es que el aire que circula a su alrededor fluya de forma laminar, para que así le genere una eficiencia aerodinámica, desafortunadamente para ingenieros  y pilotos, esto no es tan sencillo.

Cuando entra en contacto con el coche el flujo laminar va perdiendo velocidad a lo largo de la capa límite, hasta que llega un punto en el que se para o incluso retrocede, provocando que la capa límite se desprenda y el flujo de aire ya no siga la forma de la carrocería.

 

Si llegamos a la zona de depresión, entramos en pérdida, pues se produce un vacio y el flujo de corriente deja de seguir la superficie del vehículo.

Esto último es lo peor que le puede pasar aerodinámicamente hablando a un coche de F1, puesto que la carga aerodinámica depende de que un flujo de aire siga la forma del perfil de la carrocería. Para que os hagáis una idea, mucho se dice que un F1 funciona como un avión pero con las alas invertidas, es decir, en vez de sustentarse en el aire se pega a el suelo. Pues bien, si lo anterior ocurre en un avión, es decir, el aire no sigue la silueta de las alas, se crea una zona de "vacío",  el avión “entra en pérdida”, es decir, se deja de sustentar y caería a plomo. Pues bien, si un F1 entra en pérdida, no tiene carga aerodinámica y por ende en incontrolable, en otras palabras, accidente seguro.

Pues bien, aquí es donde vuelve a salir a la palestra el flujo turbulento, que ahora veremos como ya no parece tan “malo”.

Una capa límite turbulenta hace que parte de la energía cinética de la zona más exterior de la capa límite, la más alejada del coche, se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento de la capa límite tarda más en ocurrir, y por tanto se retrasa la entrada en pérdida. Además, se ha de tener en cuenta que cuando se desprende la capa límite, la sección efectiva del objeto aumenta, porque el fluido ya no sigue la forma de este y por tanto se produce una mayor resistencia. De forma contraria, a menor desprendimiento la sección efectiva es menor ,y por tanto, menor resistencia, puesto que el aire tiene que desviarse menos para rodear el obstáculo.

Así pues, vemos como se da la curiosa situación de que en ocasiones las turbulencias son necesarias para el funcionamiento aerodinámico de los vehículos.

Así pues recapitulando, dentro de la capa límite nos encontramos con que cuando el aire cocha contra el coche se crea un flujo laminar, eficiente aerodinámicamente, pero a lo largo que avanza por la carrocería este se va desprendiendo hasta tal punto que podría hacer entrar a los alerones en pérdida. Para que esto no suceda se ha de crear un flujo turbulento, para retrasar el desprendimiento de la capa límite, pero ¿cómo se crea un flujo turbulento y en que punto se ha de crear?

Pues bien, el verdadero sentido de este artículo es este, explicar qué son esos pequeños apéndices aerodinámicos que vemos en la foto y para qué sirven.

Pues bien, esos elementos se llaman generadores de vórtices o torbellinos, y lo que hacen esos pequeños salientes es precisamente, crear un “torbellino” o vórtice que energiza, es decir, aumenta su presión y velocidad, del flujo de corriente y evita el desprendimiento de la capa límite, retrasando por tanto, la entrada en pérdida, en otras palabras, crean un flujo turbulento.

Evidentemente lo crucial de este dispositivo es su punto de colocación, y este no debe ser otro que el punto de transición, es decir, aquel punto que suponga la mayor prolongación posible de la capa límite laminar, transformando ésta, en turbulenta, en el momento en que tenga tendencia a desprenderse. De esta forma se consigue una resistencia aerodinámica mínima y un buen comportamiento en puntos próximos al de pérdida.

Bueno, espero que lo anterior haya quedado más o menos claro. 

Directamente relacionado con estos generadores de vórtices nos encontramos con los Gurney Flaps, pero por hoy es suficiente, y la explicación de esto lo dejaremos para la próxima entrega.

Sergio.