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.
