Análisis Técnico – Drag

Drag

La definición más básica de drag, es la resistencia aerodinámica experimentada por un objeto que viaja a través del aire. La extraordinaria velocidad que un coche de Fórmula 1 alcanza es gracias a una cuidadosa combinación de un potente motor más un cuerpo esculpido con formas aerodinámicas.

Al principio de los tiempos de la Fórmula 1, el motor era la variable primaria que determinaba el éxito de un monoplaza en el mundo del motor. No obstante, la tecnología que envuelve al propulsor ha ido madurando en pos de la aerodinámica de un vehículo.

Estos años históricos se encarnan en un simple algoritmo. La velocidad era una función directamente proporcional a los caballos de potencia. Pero, aunque los motores mejoran cada año, los niveles de rendimiento entre motores son bastante comparables y similares entre sí – conseguir un récord de velocidad ahora depende de otro factor: la aerodinámica y el drag.

El ingeniero aerodinámico, Will Gray, señaló que “la velocidad máxima se alcanza también por otros factores – como el peso del coche, la estrategia de combustible y un buen par motor a bajas revoluciones – pero el principal factor que separa a los ganadores de los valientes es el rendimiento aerodinámico, es decir, tener un exceso de drag es tirarte encima demasiado aire que te penalice.

Una de las formas de resistencia del aire se produce cuando las partículas y las capas más cercanas se adhieren a dicha superficie. Se las conoce como capa límite o piel de fricción. La piel de fricción se origina a causa del contacto de las aprtículas de aire con la superficie de un objeto en movimiento.

La capa que está por encima de todas estas partículas adjuntas se desplaza ralentizando las moléculas que circulan por la superficie. Al alejarse las capas de esta plataforma, el aire puede circular más libremente y ralentizarse en menor medida.

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El área de baja velocidad – capa límite – aparece en todo tipo de superficie causando uno de los tres tipos distintos de drag.

La fuerza que se necesita para desplazar estas moléculas de aire forma el segundo tipo de drag, el drag artificial. Es decir, debido a este fenómeno, a menor superficie, menor área de partícula y, por tanto, menor energía se requerirá para empujar el aire.

Esto es, que con un menor esfuerzo del motor, el coche necesitará un menor esfuerzo para moverse por la pista, es decir, a mayor potencia, más deprisa irá un monoplaza.

El drag artificial y el drag de presión son virtualmente el mismo tipo de drag. La separación del aire crea turbulencias resultando en bajas y altas presiones que dejan una estela detrás del objeto en cuestión – drag de presión. Esto también se opone al desplazamiento hacia delante y es un componente más del drag total. Por tanto, tratar el flujo de aire es esencial a la hora de reducir el drag, por ello, las partes de un coche que no sirven para tal fin se encierran con una cubierta llamada carenado.

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Ejemplo de drag artificial.

Otro factor que juega un papel en la eficiencia aerodinámica son las formas de las superficies del coche. La forma con la que las moléculas deben fluir determinan cuán fácil las moléculas se pueden desplazar. El aire tiende y prefiere seguir una superficie en lugar de separarse de ella.

El término ‘separación’ se refiere a la circulación fluida de aire a medida que abraza la superficie del ala cuando de pronto se desprende de ella creando flujos desordenados.

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Curiosamente, los diseñadores aerodinámicos han encontrado en la forma de una gota, el modelo perfecto – redondeado en su inicio apuntando hacia atrás – gestionando eficazmente la propulsión del aire en una superficie simple sin separar el aire. Es decir, evitar curvas afiladas o cerradas, extremos redondeados o cambios bruscos en una dirección es esencial si no se quiere provocar separación, y por tanto, fricción o drag.

Otro tipo característico de drag es el drag inducido. Este drag inducido se genera a causa de los cantos o bordes de alas, el cual es un producto desfavirable producido por la carga aerodinámica. Con este drag no se puede hacer mucho, ya que siempre se va a producir.

Generalmente se forman en alas en posición invertida o estándar. De hecho, es posible representar el drag inducido en todos los cuerpos que presentan presiones distintas en sus caras opuestas. Es por ello que el aire – o cualquier fluido – prefiere circular en áreas de alta presión a baja, ya que en regiones de baja presión tiene una tendencia a curvarse hacia abajo alrededor de los extremos de las alas de un monoplaza.

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De esta forma, el desplazamiento del aire de una zona de altas presiones a una de bajas presiones hace que choquen entre sí, originando un vórtice. Por tanto, cuanto mayor sea el vórtice generado, mayor será la resistencia inducida.

Estos vórtices ocurren tanto en alas de avión, como en las de los coches de Fórmula 1 incluso existiendo endplates que se encargan de reducir este tipo de resistencia inducida. Cabe añadir que la energía cinética de estas espirales actúan en sentido opuesto a la dirección en que se desplaza el objeto, siendo el motor el encargado de compensar las pérdidas producidas por este drag.

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Una aleta rectacular crea vórtices más severos que un ala cónica o elíptica, es por ello que las alas actuales tienen forma cónica. Un ala rectangular produce entre un 5-15% más vórtices que un ala cónica, por ello, algunos aviones y coches emplean endplates, de forma que evite en cierta medida la formación de estos, sin que haya un sistema definitivo que evite que se generen.

La comprensión de la relación entre la velocidad y el drag es importante a la hora de calcular la máxima durabilidd y el rango del aeroplano o el coche de competición. Cuando el drag es mínimo, la potencia necesaria para contrarrestar la resistencia también es mínimo.

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Hay otro tipo de drag especialmente discutido en las carreras de coches, y sobre todo en Fórmula 1. El drag interferido es el efecto de la interferencia que realiza un cuerpo en la aerodinámica de un segundo cuerpo. Este drag está presente incluso cuando no hay ni fluido ni condiciones aerodinámicas, por ello es un tema a tratar aparte.

Un monoplaza de Fórmula 1 es un sistema muy complejo aerodinámicamente hablando – compuesto de fricción de superficie, resistencia artificial e inducida. Como resultados, los aerodinamistas encuentran de forma genérica el coeficiente de resistencia que estos bólidos son capaces de generar, siendo,

F= 0.5*D*Cd*A*V²,

donde,

F es el drag aerodinámico
Cd es el coeficiente de resistencia
D es la densidad del aire
A es el área frontal
V es la velocidad

Curiosamente, los Fórmula 1 modernos reportan valores del coeficiente de resistencia de alrededor de 0.85, lo cual es el triple del valor que presenta un coche de calle, y algo mayor que un autobús de línea.

Esto se debe principalmente a 3 razones:

  • La primera de ellas se basa en que las regulaciones técnicas especifican cuál es la configuración que determina el margen de maniobra que tiene un diseñador de alcanzar un coeficiente relativamente bajo – cockpits abiertos y ruedas expuestas al aire.
  • La segunda razón probablemente se deba al hecho de que los Fórmula 1 están íntegramente relacionados entre drag y downforce, en el que el drag es sacrificado por una carga aerodinámica necesaria. Con el fin de compensar las pérdidas de velocidad debido a la fricción, la potencia del motor se incrementa si es posible.
  • Por último, a diferencia de una berlina familiar, un bajo consumo de combustible no es algo de excesiva preocupación, implicando un mayor drag, sobre todo porque la carga aerodinámica tendrá una prioridad más importante.

Interferencias del drag

Las interferencias del drag ocurren cuando dos cuerpos están demasiado cerca, de tal forma que el flujo que trabaja en un cuerpo interfiere con el flujo del otro con una resistencia total mayor de la que se ha probado por separado.

Este fenómeno comenzó a descubrirse en los años 30, con el desarrollo del avión de transporte americano DC-3. Un fuselaje con X drag, que contenía un ala con resistencia Y, dando como resultado una resistencia total Z=X+Y generando un 63% aproximadamente más de drag. De ahí de la colocación de endplates adyacentes reduciendo drásticamente el drag que se genera.

Colocar dos objetos adyacentes, uno al lado del otro originan turbulencias de entre 50-200% mayor que si se probaran por separado.

Por tanto, podemos decir que la interferencia del drag es la colisión de flujos de aire creando torbenillos, turbulencias o restringiendo cómo se suaviza el flujo.

Estas interferencias conducen a la modificación de las capa límite formando grandes diferencias de presiones entre la parte delantera y trasera de las superficies en cuestión. Todo ello promueve a una mayor resistencia, sin embargo, la colocación de carrocería o diversos deflectores se emplean para agilizar estas intersecciones decrementando las interferencias producidas por el drag.

Es normal, también, referirse al drag causado por componentes que no tienen cierto aspecto aerodinámico como parásito. Las interferencas es una forma de parásito y se vuelve muy importante a altas velocidades. Este ‘parásito’ está dividido en 3 tipos: drag interferido, resistencia de fricción – explicado con anterioridad – y drag artificial.

Un cuerpo que no tiene ‘protuberancias’ ni cambios abruptos en el área de la sección transversal a lo largo de su longitud producirá menos de resistencia que uno que tiene variaciones bruscas.

Tenemos, pues, el concepto de que la fricción a alta velocidad de una aeronave se minimizará si la distribución del área de sección transversal, incluyendo todas las piezas (alas, fuselaje, etc), sean lo más suaves posibles.

Para satisfacer esto, la región transversal del fuselaje ha de trasladarse únicamente a las alas y la cola para compensar las zonas adicionales de estas superficies. El término aplicado a este concepto se denomina Regla del Área.

La Regla del Área perfila la plataforma de una aeronave causando que las zonas transversales incrementen gradualmente para luego disminuir. Del mismo modo se aplica a un monoplaza de Fórmula 1 con sus diferentes alerones, aletas, splitters y elementos aerodinámicos visibles. Todos los puntos de transición – desde el cuerpo hasta los apéndices – han de ser suavizados y adecuandos a la transición aplicada.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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