Análisis Técnico – Difusor

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Una vez que los diseñadores de monoplazas se dieron cuenta de cómo beneficiarse de la carga aerodinámica que proporciona el aire, los ingenieros comenzaron a experimentar con nuevos métodos menos simples que emplear alas invertidas para pegar el coche al suelo.

El difusor es el área de la carrocería del coche que está en la zona inferior trasera del mismo. Aunque el término ‘difusor’ está usado incorrectamente en términos técnicos, es la palabra más popular que se le aplica a esta parte del coche.

El aire que fluye debajo del coche tiende a salir por este ‘difusor’ en la zaga. El difusor se suele encontrar justo después del motor en posición central y de la caja de cambios, además, por reglamento ha de situarse justo detrás de la línea del eje trasero.

El efecto aerodinámico que produce el difusor está en torno al 50% del downforce generado, por lo que cada año las limitaciones alrededor de este componente se han ido endureciendo. De este modo, su tamaño no excede de 1 metro de ancho por 12,5 centímetros de alto (desde 2011).

Aunque los alerones y difusores trabajan de una forma similar, los conceptos son bien distintos. Un difusor expulsa el aire de la parte de abajo de un coche y, por consecuencia, aumenta la velocidad del paso del aire en el inferior del monoplaza, de modo que el aire que se mueve más lentamente por encima del coche lo empujará hacia el suelo.

El efecto de succión es el resultado de la ecuación de Bernoulli, que establece que, cuando la velocidad del fluido es mayor, la presión debe ser inferior. Por tanto, la presión en la zona baja de un coche ha de ser menor que la presión de salida, ya que la velocidad será mayor en la entrada que en la salida.

El difusor en sí mismo no produce esta reducción de presión, sino que su objetivo es la de expandir el flujo de debajo del coche hacia la zona trasera del monoplaza, decrementando la velocidad del aire desde la entrada hasta la salida del difusor, de forma que el aire actuará como su estuviera en libertad. De tal forma que generar un gradiente de presión acelerará el aire debajo del coche ayudará a reducir la presión y aumentando la carga aerodinámica.

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Esta diferencia de presión está relacionado por el área de entrada, la salida del difusor, que a su vez vendrá influenciado por el ángulo que forma con la horizontal (rake) y la altura del coche.

Durante las primeras pruebas de este componente, se observó que el difusor actúa como una ‘bomba’ que genera carga aerodinámica en función del flujo inferior. Aunque no es el único fluido mecánico que afecta a este dispositivo. Tres aspectos clave en su funcionamiento son: el efecto suelo, la elevación de los cuerpos y el bombeado del difusor.

  • Efecto suelo: juega un papel importante cuando un objeto se mueve por el suelo. La asimetría del flujo se estudió a partir de la aceleración de fluidos debajo de un cuerpo debido a las restricciones del terreno. Como resultado se reduce la presión estática por debajo del cuerpo, proporcionando la carga aerodinámica resultante.
  • Elevación de cuerpos: se refiere al empuje que provoca el difusor. Típicamente originado por la inclinación y la curvatura del difusor, similar a la superficie de un alerón. Debido a la dirección de esta curva, se produce una fuerza de elevación dirigida desde abajo durante la interacción con el flujo.
  • Bombeado del difusor: se refiere a la sección transversal más larga del difusor que se utiliza para incrementar la velocidad de flujo a través del mismo debido al potencial de presión.
    Como la velocidad desde la entrada a la salida aumenta sustancialmente, incrementará la recuperación de presión que, debido a la constante de la presión, creará una depresión al comienzo.
    El difusor actúa indirectamente reduciendo la presión de la región inferior dando como resultado una expansión del flujo debido al aumento de velocidad bajo el cuerpo. Es decir, este auge se debe en parte al decremento de presión que produce un ‘bombeo hacia abajo’ constante. Además, todo esto también ayuda a reducir la capa límite.
    Todo este efecto se reduce con una altura más elevada, cuya limitación se produjo a principio de los 90 con la prohibición del efecto suelo (monoplazas completamente pegados al suelo).

El diseño de este artilugio contiene placas verticales, algunas curvas, otras escalonadas y algunas inclinadas, pero todos se desarrollan en constante evolución en el túnel del viento.

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La función básica de estos deflectores es separar en canales los distintos tipos de fluidos que se encuentran en un coche de carreras – aire que entra procedente de las ruedas, alerón delantero, el que entra por debajo del coche y el que producen otros elementos del monoplaza. Todos estos flujos tienen una energía diferente a diferentes velocidades y dividirlos hace que sea más fácil tratar con ellos.

Los equipos suelen mostrar pocos secretos de un difusor de Fórmula 1, a pesar de que la reglamentación prohibe darle forma o crear efectos Venturi obligando a una altura mínima junto con un tablón de madera adjunto al inferior del fondo plano del coche. Sin embargo, aún hay margen de mejora en cuanto a la zona trasera y detrás de la línea de eje posterior.

Los coches del Campeonato del Mundo de Resistencia tienen una parte inferior plana. No obstante, la parte delantera tiene algunos conductos para alimentar el motor. Estos conductos también se suelen usar para ganar cierta carga.

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Como se aprecia en la imagen del zona inferior del Audi R18, la región frontal está bastante contorneada, de forma que el aire que ataca el coche se divide, yendo una parte hacia la zaga y otro saliendo por los laterales. El aire que viaja hacia arriba hacia un difusor que genera carga aerodinámica justo después del eje delantero.

En el splitter de un Fórmula 1 el efecto es el mismo, con la salvedad de que el aire se divide dirigiéndose hacia los laterales, marcando, a su vez, el inicio del fondo plano.

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Observándolo desde un lateral, se aprecia que la parte delantera del coche es bastante similar a un alerón con efecto suelo, a pesar de que el coche no lleve un ala. Este diseño no es tan eficaz como llevar un alerón debido a la redirección del flujo, pero el hecho de sellar los laterales, aumenta algo más el producto de esta forma.

Hay varias formas de manejar y controlar el flujo de aire en el eje delantero. Los aerodinamistas tratan de provocar el mismo efecto que en el difusor: ganar más downforce dotando de un lugar donde expandir el aire y reducir la presión.

Un difusor bien diseñado y que funcione correctamente, es un componente extraordinariamente importante en la aerodinámica de un monoplaza. El difusor, combinado con la superficie de sustentación baja del alerón trasero produce la significativa cantidad de entre el 40-50% de la carga de un coche.

Cuando el difusor no actúa de la mejor manera, hasta los pilotos más experimentados al volante puede llegar a tener serios problemas con la zaga del coche. El estancamiento del difusor puede llegar a ser un problema a tener en cuenta en el efecto que provoque el difusor, y parte de responsabilidad la puede tener un mal diseño del alerón delantero.

Si un piloto cree que tiene cierto nivel de agarre al tomar una curva, la tomará a más alta velocidad asumiendo que el coche le sujetará al suelo. Al frenar, el coche se irá hacia adelante como se puede ver en un coche corriente de calle.

Si el difusor no está diseñado correctamente, perderá un gran porcentaje de efectividad si se levanta mínimamente (con la rigidez de las suspensiones de un Fórmula 1, hablamos de entre 5-10 milímetros). Cuando esto ocurre, gran parte de la carga aerodinámica se pierde en una curva, perdiendo agarre. Si esto, además, te ocurre durante una curva, se puede observar cómo el coche pega un latigazo, y por consecuencia, el conveniente contravolante que obra el piloto para mantener el coche en pista.

En el pasado, equipos como McLaren intentaron mejorar la eficacia del difusor disparándole los gases del escape dándole cierta energía al flujo. De esta forma, la velocidad del aire a través del difusor puede ser revitalizada por los gases calientes cuando el motor acelera.

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Este invento fue bastante popular en los 90 y se fomentó gracias a las restricciones de la salida de los tubos de escape a través de la caja de cambios. Los gases arrastran los fluidos activando la capa límite y, por tanto, la potencia del efecto del difusor que saca el aire por debajo del coche.

Fue una buena idea, pero no tuvo demasiado éxito. El problema era que los gases del escape no tiene una velocidad constante. Cuanto más se pise el pedal del acelerador, más gases salen y más eficaz es el difusor. A menos velocidad, menos gases, y por tanto la eficacia del difusor decae, decrementando el agarre en la zaga, algo bastante malo al tomar una curva.

Poco a poco, esta práctica se abandonó en pos de una posición de chimenea encima de los pontones, algo en lo que Ferrari fue pionero.

Los equipos necesitaban dejar un hueco en el centro del difusor para insertar el mecanismo de arranque del motor, traduciéndose en pequeños cortes en la parte inferior de la sección central del difusor, lo cual produce un impacto mínimo en el efecto que el difusor tiene esta parte.

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Sin afectar a las grandes restricciones aerodinámicas de 2009, el difusor sigue siendo una parte dominante en los diseños aerodinámicos. Equipos como Brawn GP en 2009 aprovecharon zonas grises del reglamento para crear entradas adicionales debajo de la carrocería que alimentaban las zonas de salida de mayor tamaño, conocido como el doble difusor.

En el año 2010, las escuderías se aprovecharon más aún de ello para hacer mayores las entradas y salidas de este difusor.

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Sin embarg0, Adrian Newey revolucionó los libros de historia de la ingeniería de Fórmula 1 para reinventar el concepto a su favor. Primero originando un mayor efecto a través de los ejes de la suspensión trasera y luego creando los escapes soplados, llamados así por montar las salidas de los tubos de escape en línea con el suelo.

Los escapes soplaban al flujo de aire que venía por los laterales del coche hacia el difusor formando una gran masa de aire que salía disparada produciendo una grandísima carga aerodinámica. Esto produjo que muchos equipos a mitad de temporada rediseñaran la zaga de sus monoplazas copiando este efecto.

A pesar de que el principio de Bernoulli es una importante fuente de carga que engendra un alerón, el efecto Coanda juega un papel más importante aún en dicho efecto.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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