AERODINMICA: PRINCIPIOS BSICOS 1

Es el 'Santo Grial', no hay duda. Desde que los ingenieros descubrieron el potencial que tena la utilizacin del aire y los efectos positivos que generaban sobre los F1, ya nada ha vuelto a ser igual.Su introduccin ha sido paulatina y la mejora en el rendimiento de los monoplazas evidente. Ao tras ao los equipos han realizado modificaciones que, con mayor o menor acierto, han permitido seguir girando esta rueda. La experiencia, el estudio y la comprensin de los complejos sucesos que ocurren cuando el flujo de aire pasa a lo largo de un coche de carreras ha permitido obrar gran parte de este milagro, y ser la mejor base para seguir mejorando en el futuro.Los aos donde la mecnica marcaba la competicin han pasado. Deca Enzo Ferrari que la aerodinmica era slo para los fracasados que no saban hacer motores y que cuando un cliente compraba un Ferrari, est pagando por el motor, el resto se lo daba gratis. Hoy en da ese pensamiento resulta caduco. La velocidad extraordinaria que llegan a alcanzar los F1 se debe a la cuidada combinacin de un potente motor unido al exquisito y elaborado diseo de su aerodinmica carrocera. La Frmula 1 sera imposible sin aerodinmica y por muchas limitaciones que imponga la FIA por motivos de seguridad, siempre estarn por encima de la mecnica.Viendo la importancia que este elemento representa me parece interesante realizar una serie de artculos sobre el tema. Mi intencin es mostraros la evolucin que ha experimentado varios de los componentes ms importantes del coche y las actuaciones que han tenido que realizar los ingenieros sobre ellos para solventar algunos de los inconvenientes que se producen cuando se quiere alcanzar el mximo rendimiento aerodinmico. Para ello seguir la misma lnea marcada por los especialistas en la materia, de ah que sea necesario y fundamental que todos comprendamos primero los conceptos bsicos para luego descubrir sus efectos. Sin esto sera imposible.

En esta primera entrega os mostrar una parte de las reglas y fundamentos para entender la aerodinmica de fluidos. Estas explicaciones os servirn de base de consulta para futuros artculos, que servirn para mostraros los efectos que dichas reglas generan. S que esta parte puede resultar un poco aburrida a algunos pero el esfuerzo merecer la pena cuando veis, y sobre todo comprendis, por qu los flaps que utilizaba McLaren en su alern trasero tenan forma serrada, o por qu la parte superior de los pontones de refrigeracin estn llenos de pequeos aletines, por poner slo unos ejemplos. Pues nada amig@s, abrocharos el cinturn que arrancamos.

La aerodinmica

Su definicin es la primera y obligada parada en el camino.La aerodinmica se define como la ciencia que estudia cmo se mueve el aire alrededor de los objetos y cmo interacta con ellos.Dicho con palabras ms tcnicas: es la rama de la mecnica de fluidos que se encarga de estudiar los fenmenos que se originan cuando existe movimiento relativo entre un slido y el fluido gaseoso que lo rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar. Los lquidos no tienen cabida aqu. Del estudio de ellos se encarga la hidrodinmica pero sus cualidades son parecidas y me servirn para mostraros algunos ejemplos que facilitarn la tarea. Una vez que sabemos qu es la aerodinmica, la siguiente estacin parece obligatoria: qu es un fluido?Se denomina fluido a toda sustancia cuyas molculas se mantienen unidas entre si por fuerzas de atraccin dbiles y las paredes de un recipiente. Esta propiedad les permite fluir, es decir, escurrirse alrededor de los cuerpos y tomar su forma gracias a la facilidad que tienen sus molculas de separarse del resto.El trmino fluido engloba tanto a los lquidos como a los gases. La diferencia entre unos y otros depende dela fuerza con las que se cohesionan sus molculas.Los lquidos presentan una cohesin mayor que les permite mantener su propio volumen y tomar la forma del recipiente que los aloja, mientras que los gases al tener una cohesin mucho menor carecen tanto de volumen como de forma propia.Qu pasara si las fuerzas de unin en lugar de ser dbiles fueran muy fuertes? Pues tendramos un slido. La atraccin entre sus molculas puede llegar a ser tan elevada que cueste mucho trabajo separalas. Cuanto ms fuerte sea, ms duro y slido es.

Estas fuerzas de cohesin son las responsables de gran parte de los efectos que veremos posteriormente.

Resistencia aerodinmica

Todos los seres vivientes tenemos algo en comn: estamos inmersos en un fluido. El aire es una mezcla de gases que est sujeto a las leyes que gobiernan a los fluidos. A pesar de que pasamos nuestras vidas inmersos en ese ocano de aire, en pocas oportunidades tomamos conciencia de la resistencia al avance que nos ofrece cuando intentamos movernos.

Qu es la resistencia aerodinmica? Esla fuerza opuesta al movimiento que sufre un objeto slido cuando se desplaza a travs del aire.Esta fuerza es lo que en aerodinmica se conoce como resistencia al avance, o arrastre como suelen designarla algunos autores. Es importante recalcar queeste tipo de fuerzas siempre va en sentido contrario al avance del vehculo y es proporcional a la velocidad del mismo.A mayor velocidad, mayor resistencia.

La resistencia tiene dos componentes principales, la componente de presin (Resistencia de presin) y la componente de friccin (Resistencia de Superficie). Vamos a dedicarle un espacio para verlos.

A- Resistencia de superficie. Est formada a su vez por dos tipos:

1- La resistencia de forma.Es la resistencia al avance producido por la forma que tiene el objeto. Cuando un vehiculo avanza por la carretera tienen que apartar de su camino una cantidad importante de aire para poder hacerlo. Las partculas que forma la masa de aire situada frente a l colisionan, en mayor o menor medida dependiendo de su geometra contra su superficie, reduciendo as su velocidad y obligando al motor a crear ms potencia para conseguir ganar esa velocidad perdida.

Es fcil deducir que los valores de la resistencia de forma dependern de la superficie frontal del objetor, que en F1 no es otra cosa que el rea que ocupa el coche visto perfectamente de frente.

Queda claro que la superficie frontal de un camin no es la misma que la de un deportivo. Esta seccin frontal es la que va barriendo un volumen de aire por unidad de tiempo cuando el coche se desplaza, y determina la cantidad de masa de aire que deber apartarse.Si se consigue reducir la superficie frontal obtenemos valores de resistencia mucho menores de ah la importancia de "aerodinamizar" los objetos para as reducir el arrastre.

Los que somos amantes del ciclismo conocemos perfectamente este tipo de resistencia. Si queremos ir ms rpido sobre la bicicleta tenemos que adoptar una postura ms recogida (postura aerodinmica) que nos permita cortar mejor el aire. Para los menos experimentados se me ocurre otro ejemplo. Como gaditano que soy no se me puede ocurrir otro: un esplndido da de levantera.Esta expresin coloquial define a los das donde el viento, sea o no de levante arrecia con mayor intensidad. En esas condiciones, o te pones de lado para reducir la superficie cuando llega algunas rfagas extraordinarias o sales disparado hacia atrs.

El responsable principal de este efecto sigueel principio de accin y reaccin. Os acordis? S, aquello que os expliqu en el anterior artculo sobre los endplate que deca quetoda fuerza ejercida sobre un objeto (accin) recibe otra fuerza igual pero en sentido contrario (reaccin), en definitiva, la tercera ley de Newton.Si no lo recordis os aconsejo que le echis un vistazo.

Cuando un coche va circulando su superficie colisiona contra las partculas de aire que encuentra en su camino y las empuja para que se aparten de l. Estas molculas de aire se ven forzadas a realizar un cambio de direccin (accin). En respuesta (reaccin), el aire empuja al coche hacia atrs generando la resistencia aerodinmica.

La densidad del aire(nmero de molculas por unidad de volumen)es un factor muy importante a tener en cuentaen este apartado. Veamos un ejemplo. Un F1 circula en una pista situada a nivel del mar (presin atmosfrica alta) durante un da de invierno donde hace un fro que pela. En esas condiciones, la cantidad de molculas existentes en el ambiente es mayor que si hiciera calor y estuviramos a 2000 metros donde la densidad del aire baja. La cosa est clara, si hay ms cantidad y su cohesin es mayor, el nmero de impactos aumenta y por tanto la resistencia tambin. La cosa se pone an peor si encima la humedad en el ambiente es alta. Dejmoslo as.

Este tipo de resistencia es muy importante de ah que en la F1 se trabaje cuidadosamente para disminuir sus efectos negativos aunque no siempre se consigue.Los ingenieros cuidan los detalles al mximo cuando disean los diferentes componentes del coche pero en ocasiones las necesidades de generacin de carga aerodinmica son elevadas y hay que hacer sacrificios para poder obtenerla.Siempre hay actuaciones que ayudan a reducir en parte esa resistencia como puede ser por ejemplo la utilizacin de alas mltiples, pero como dije, esas medidas sern la base fundamental de los prximos artculos. De todas formas, por mucho que quieran, siempre tendrn las ruedas, las mayores generadoras de resistencia frontal en la F1 actual.2- Resistencia por friccin.La fuerza de friccin esla oposicin al movimiento que se produce cuando dos cuerpos que se desplazan se ponen en contacto entre si.Se da en todos los medios conocidos (slidos, lquidos y gaseosos). En el caso que nos ocupa esta resistencia se produce cuando el fluido (aire) se pone en contacto con la superficie del objeto (carrocera) e interacta con l. A este tipo de resistencia se le llama friccin dinmica, por existir movimiento y es de gran importancia en aeroplanos, barcos y aquellos vehculos que se mueven a gran velocidad aunque en estos ltimos, su factor no es tan importante a bajas velocidades ya que el rozamiento de las ruedas con el suelo presenta valores muy superiores pero siempre hay que tenerlo en cuenta, sobre todo cuando se aumenta la velocidad.Si tuviera que elegir una imagen que mostrara los efectos que puede llegar a sufrir un objeto por la accin de la friccin no tengo duda, elegira esta: una espectacular lluvia de estrellas.

Si dejamos a un lado la velocidad, la friccin dinmica depende fundamentalmente dos factores:

A- Del estado que presente la superficie del objeto.Si estn lisas y bien pulidas tendrn valores de resistencia por friccin menores que si estn rugosas. Conseguir la perfeccin es imposible de ah que siempre est presente. En la F1 todas las superficies estn pulidas y se cuida con esmero. No resulta extrao ver como los mecnicos limpian cuidadosamente los alerones y la carrocera de los monoplazas cuando estn parados.

B- La viscosidad del fluidopor donde tiene que transitar el objeto.La viscosidad es la propiedad que presenta todo fluidos, y se define como la resistencia que tienen sus molculas a ser a separadasy esta relacionada con las fuerzas de cohesin que vimos al principio. Si la unin entre las molculas es alta la fuerza que tenemos que ejercer para separarlas es mayor. Este caso se da en los fluidos con viscosidad elevada. Un ejemplo y se entiende todo mejor.Seguramente todos hemos revuelto alguna vez una jarra de agua con una cuchara. La resistencia que ofrece el lquido al movimiento de nuestra mano es, para expresarlo de alguna manera, normal. Pero alguien intent revolver una jarra llena de miel? El trabajo es enorme. Lo mismo ocurre cuando estamos en la playa e intentamos andar dentro del agua. Cuesta verdad? Esto nos indica que a mayor ndice de viscosidad, mayor resistencia.Muchos piensan que viscosidad y densidad es lo mismo pero no lo es. Aunque parece lgico pensar que algo denso tambin ha de ser viscoso, la densidad y la viscosidad no se relacionan de ninguna manera significativa. Las sustancias de igual densidad pueden tener una amplia variedad de viscosidades.

Aunque parezca mentira en el aire, como fluido que es tambin se producen variaciones de viscosidad. Las variaciones son menores que en el ejemplo anterior pero tambin existen.

Usar el mismo ejemplo de antes para verlo. Pista a nivel del mar con ambiente muy fro. En este caso tendremos valores de resistencia aerodinmica por friccin inferiores a los que se daran si estuviera rodando en la misma pista con una temperatura en el ambiente de 40C. La viscosidad del aire aumenta cuando lo hace la temperaturaA simple vista nos puede parecer que la friccin es un efecto "secundario" si es comparado con la resistencia por forma o, como veremos posteriormente, por la de presin pero no es as. El frotamiento entre un objeto slido y un fluido provoca ciertos fenmenos que son vitales en la aerodinmica para mejorar el rendimiento de un vehculo, llmese avin, barco, nave espacial o monoplaza de F1 y es la capa lmite que en el segundo artculo de la serie tratar en profundidad.

B- Resistencia por presinHemos visto que como la resistencia de forma y la friccin son capaces de restar velocidad al coche, pero no son las nicas. Ahora entra en escena un nuevo personaje,la resistencia por presin, responsable principal de gran parte de la reduccin de la eficiencia aerodinmica de un coche.En la actualidad camiones y autobuses son los vehculos que peor rendimiento aerodinmico tienen con diferencia y se debe sobre todo a este tipo de resistencia. Su gran superficie frontal impide mucho su avance pero aunque nos pueda resultar extrao, ese es el menor de los problemas. Lo peor se sita detrs.

Se denomina resistencia de presin a la resistencia al avance producido sobre los objetos inmersos en un fluido al generarse un diferencial de presiones entre una zona de alta presin situada en la parte frontal (presin de estancamiento), y una zona de baja presin que se produce en la parte posterior cuando el flujo se separa del objeto (succin de cola o resistencia de remolino).

Para saber cmo se origina este diferencial os pedir que imaginis un cine repleto de espectadores. Cada uno est situado en su asiento y no molestan a nadie lado salvo que se pongan a contar el final con el de al lado. Cada espectador equivale a una molcula de aire que est en reposo. Cuando termina la pelcula todos se dirigen hacia la puerta con ansias de ser los primeros en salir pero la puerta tiene unas medidas fijas y no todas las personas pueden salir a la vez.Qu ocurre entonces? que la gente se apelotona y se juntan unas contra otras para intentar salir. Eso mismo hacen las molculas de aire cuando chocan contra el camin. Como las primeras no son capaces de sortear fcilmente su frontal son atropelladas por las que vienen despus, generando as un aumento de presin entre ellas. En esta imagen se representa las altas presiones en color rojo.

Ahora vamos al otro extremo. La succin de cola se produce cuando el aire no es capaz de llenar y ocupar ordenadamente el espacio que existe por detrs de los objetos que ofrecen gran resistencia aerodinmica. Como las molculas de aire no pueden llegar normalmente a la parte trasera del camin porque su gran superficie frontal se lo impide se origina un vaco (bajas presiones, pintadas de azul) que succiona el aire situado en su entorno cercano para poder igualar las presiones, originando as un remolino de aire y sobre todo resistencia.Siempre que se genera un aumento de presin en un lado se produce un descenso de la presin (depresin) en otro.

Crear una depresin puede ser una ventaja o un inconveniente dependiendo del sitio donde se produzca. Si se crea en la parte inferior de un alern es muy positivo, origina downforce pero si lo hace detrs de un vehculo no ya que produce arrastre. Cmo? Vamos a verlo.La naturaleza es sabia y siempre busca los puntos de equilibrio. Un ncleo de bajas presiones, el famoso vaco, es zona de inestabilidad. Para conseguir el equilibrio adecuado hay que eliminar ese punto inestable y eso se consigue igualando la presin con el entorno. Para lograrlo, la depresin debe arrastrar consigo un cierto nmero de molculas del entorno para llenar ese hueco, pero ella no entiende de objetos.Si encuentra slo aire en su cercana tira de l para encontrar el equilibrio al igual que sucede cuando abrimos un bote de conservas que est envasado al vaco, pero si en lugar de aire encuentra por ejemplo la parte trasera de un camin, como vemos en la imagen de arriba, tambin arrastrar de ella.El problema radica en que siempre que el vehculo esta en movimiento mantendr esa zona de bajas presiones detrs, nunca conseguir anularla salvo que se detenga.

Para comprender mejor lo que estoy diciendo slo os dejo un par de datos; cerca del 80% de la resistencia generada por un camin proviene de la resistencia de presin, el resto de la friccin. Casi nada.La succin de cola o de resistencia de remolino constituye un aspecto muy importante en el diseo de barcos, automviles y aeroplanos, y los diseadores dedican el mismo tiempo en la aerodinmica de la parte posterior de tales vehculos como en la parte anterior.Ahora que sabis cmo funciona el sistema quiero valorar vuestros conocimientos. Os pedir que analicis la imagen de arriba donde se muestran dos modelos de camiones. El primero de ellos tiene una estructura convencional mientras que el segundo ha sido diseado con formas ms aerodinmicas y lleva incluido en su parte trasera elementos que reducen la succin de cola. Se aprecian alguna diferencia?Efectivamente, veo que sois unos alumnos aplicados. Como habis comprobar la zona azulada del segundo camin ha menduado y la intensidad de su color es menor. Estos datos indican que el arrastre generado ha disminuido considerablemente.

No todo es negativo, hay quienes obtienen rendimiento positivo de esta succin. Los pilotos de la Nascar saben mucho de eso. La tcnica se llama "viajar en succin" y consiste en pegar literalmente el morro del coche con la parte trasera del que le precede. Con ello se consigue que la succin de cola desaparezca ya que no hay espacio literal para formar la zona de vaco, a la vez que el coche que va situado detrs no tiene resistencia frontal.Qu se consigue? Que dos o ms coches as posicionados sean ms veloces que uno que est aislado. Tanto en el motociclismo como en la F1 saben de sus efectos pero no llegan a esos extremos. Uno de los mtodos ms buscados para facilitar el adelantamiento es acercarte lo suficiente al de delante para encontrar el rebufo. Con esta maniobra se consigue lo mismo, entrar en el tnel de succin, reducir la resistencia frontal y aumentar as la velocidad punta al final de recta. Con esta tcnica se necesita menos potencia para alcanzar la misma velocidad que el vehculo que te antecede y te queda un extra para acelerar cuando salen de la estela del vehculo.El equipo Ferrari intent en alguna ocasin sacar provecho en Monza del rebufo en la calificacin de sus pilotos sabedores de no contar con un motor potente pero si queris ver quien saca tambin provecho de este efecto echarle un vistazo al video, pero no se os ocurra imitarlo.

Obtener valores numricos de las presiones en los diferentes puntos del vehculo ayuda a cuantificar y analizar todas las fuerzas de presin que actan sobre su superficie. Si las sumramos obtenemos como resultante una fuerza neta total, que estar aplicada en un punto imaginario, denominado centro de presiones que ayudan a los ingenieros a obtener el valor de la fuerza de arrastre que se opone al avance del vehculo y la fuerza de adherencia (downforce) o sustentacin, que nos indica si el vehculo tender a adherirse al suelo (coches) o a separarse de l (aviones).Este tipo de pruebas se hacen constantemente en la F1. Es raro no ver en pretemporada o en los entrenamientos libres de los viernes algn coche montando esos extraos emparrillados llenos de sensores, las llamadas sondas o tubos de Pitot que se encargan de medir la presin en cada punto donde estn situadas.Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el vehculo y con la finalidad de facilitar su estudio, se hace necesario cuantificar numricamente los diferentes valores y unificarlos en una variable, los llamados coeficientes. Estos coeficientes permitirn predecir los efectos aerodinmicos sobre un cuerpo determinado (prototipo) a partir de las mediciones obtenidas sobre el modelo conocido. Son varios los coeficientes empleados en aerodinmica pero en el ms no interesa es el de arrastre (Cx). Lo veremos en la prxima entrega junto al concepto de capa lmite, fundamental en aerodinmica para evitar el efecto succin, pero eso ser otra historia.