Análisis Técnico – Carga aerodinámica – Downforce

Los deportes concernientes al mundo del motor depende en su máximo exponente del rendimiento, ser el más rápido al completo. No hay nada más.

Para ser el más rápido se necesita potencia y energía, pero hay un límite a la cantidad de energía que se puede disponer en el suelo. Para aumentar este límite, hay que ampliar la fuerza que se aplica a las ruedas. Un incremento en el peso del monoplaza puede realizar esto, pero el peso incluye un peor manejo del vehículo necesitando más potencia, por ello necesitamos un peso ‘virtual’ llamado carga aerodinámica – downforce – y se obtiene mediante el flujo de aire que rodea al coche.

Un ala puede hacer a un avión volar, pero si lo ponemos del revés, puede hacer que un coche no vuele, sino que se pegue aún más al suelo.

Normalmente se utiliza el término «elevación» cuando se habla de alguna fuerza aerodinámicamente inducida que actúa sobre una superficie. Esto da un indicador, ya sea ‘elevación positiva’ o ‘sustentación negativo’ en referencia a su dirección. Esto es, en carreras en el suelo propiamente dicho, el término elevación generalmente se evita dado que casi siempre implica positividad, es decir, que un coche vuele literalmente en pista. Es por ello, que el concepto de downforce siempre se atribuye a fuerzas negativas, es decir, aplicar un empuje del coche hacia el suelo.

Tanto el drag como la carga aerodinámica son directamente proporcionales al cuadrado de la velocidad de un coche. La resistencia está dada por:

F= 0.5*D*Cd*A*V²,

donde,

F es el drag aerodinámico.
Cd es el coeficiente de resistencia determinado por la forma exacta del coche y su ángulo de ataque.
D es la densidad del aire.
A es el área frontal.
V es la velocidad.

La carga aerodinámica está dada por:

F= 0.5*D*Cd*A*V²,

donde,

F es la carga aerodinámica.
Cl es el coeficiente de elevación determinado por la forma exacta del coche y su ángulo de ataque.
D es la densidad del aire.
A es el área frontal.
V es la velocidad.

En el caso de los Fórmula 1 más modernos, la relación elevación/resistencia tiene un valor típico de 2,5, por lo que el downforce domina el rendimiento.

En las actuales competiciones de motor, incluyendo la Fórmula 1, DTM, IndyCars, coches de turismo, etc, la carga aerodinámica juega el papel más importante en el rendimiento de estos coches.

A mediados de 1960, el uso de compuestos más blandos y más anchos demostraban que una buena adherencia y paso por curva era tan importante como que la potencia del motor era algo primordial a la hora de conseguir un buen tiempo por vuelta.

El factor de los neumáticos anchos vino como una sorpresa. En la fricción al deslizar entre superficies más duras, el drag es independiente del área de contacto, sin embargo, también fue una sorpresa encontrar que la fricción podía ser incluso mayor que la fuerza de contacto entre dos superficies dando un coeficiente mayor que 1.

El deseo de aumentar el agarre de los neumáticos llevó a una revolución en el diseño de los monoplazas al usar la sustentación negativa o carga aerodinámica. Dado que la adhesión lateral es más o menos proporcional a la descarga en ella, o la fricción que se ejecuta entre el neumático y la carretera, agregar carga aerodinámica al peso del compuesto mejora el agarre del mismo.

La carga aerodinámica también permite que las ruedas transmitan más potencia sin patinar, incrementando la aceleración máxima posible. Sin la carga aerodinámica los coches de competición tienen suficiente potencia para hacer girar las ruedas más allá de 160km/h.

Esta carga aerodinámica o sustentación negativa, empuja el coche hacia el suelo. Un coche de Fórmula 1 a máxima velocidad produce 5 G‘s de downforce, es decir, 5 veces su peso presionado hacia el suelo, producido, en su mayoría, por el difusor y los diferentes alerones y deflectores que recorren el coche de arriba hacia abajo, ayudando a generar más carga aerodinámica, pero también más drag.

La carga aerodinámica ha de estar en equilibrio tanto atrás como delante, a izquierda y a derecha. Se puede alcanzar el balance tanto en la izquierda como en la derecha por simetría simple, pero en la parte frontal y posterior es algo distinto. El flujo en la parte delantera afecta de gran manera a la zaga del coche y viceversa.

Ha de ajustarse de acuerdo a las características de la pista y el comportamiento del coche. Demasiada carga en la parte delantera induce sobreviraje y demasiada carga en la zona posterior induce la creación de subviraje. Por tanto, la variación de la carga aerodinámica puede resolver estos problemas, aunque, a veces, pagando el precio de añadir algo de drag.

Principio de Bernoulli que explica el cambio de velocidad según el tramo que recorra el fluido.

El éxito de esta configuración radica fundamentalmente en la utilización eficaz del drag y el downforce – ambos regidos por el principio físico de la ecuación de Bernoulli – que describe el comportamiento de un fluido a lo largo de un tramo de agua. Pero, a pesar de que el principio de Bernoulli describe un papel importante en la aerodinámica de un coche o un avión, el efecto Coanda juega un papel más importante a la hora de producir carga.

Efecto Coanda simplemente el flujo de aire sigue la superficie del objeto.

En resumidas cuentas la elevación o sustentación se origina si un fluido recorre un objeto a diferentes velocidades, por lo que el fluido que vaya más lento ejercerá mayor presión sobre el que vaya más deprisa dando como resultado una fuerza que empuja al objeto hacia el fluido más rápido. La elevación se produce cuando el flujo a mayor velocidad está en la parte superior, mientras que la carga aerodinámica se produce cuando el fluido a mayor velocidad está en la cara inferior.

Toda la superficie del coche produce carga aerodinámica, por lo que un monoplaza se puede dividir en tres zonas: parte delantera, central y trasera.

En la parte trasera, las principales fuentes de downforce son los alerones, pequeñas aletas – como el Monkey Seat – y el difusor.

Un alerón es simplemente una placa en algún lugar de la carrocería del vehículo de modo que pueda interferir o interactuar con el flujo, creando una separación controlada del aire en un lugar deseado. Esto se hace para que el flujo de aire que vaya a más velocidad se anule al no poder sacar ningún beneficio de él.

Por lo que el alerón trasero es una placa que forma parte del cuerpo del monoplaza – ya que si hubiera un espacio entre estos, se consideraría simplemente ala. Este alerón provoca una separación de aire en la zaga del coche creando turbulencia justo antes del flujo causando un movimiento más lento reduciendo las bajas presiones antes de llegar al alerón y, en consecuencia, eliminando el efecto de elevación creando carga aerodinámica.

Las principales fuentes productoras de downforce en la parte frontal del monoplaza son los alerones, splitters, endplates, generadores de vórtices y la parte inferior conectada con el difusor.

En la parte central del coche, las principales fuentes de downforce son los pontones, bargeboards, turning vanes, vórtice generadores y roll hoops.

En conclusión, se puede decir que el flujo de aire no puede ser dividido, es decir, lo que ocurre en una pieza afecta a otra. Por tanto, lo que ocurra en el alerón delantero, afectará al difusor y viceversa.

Los alerones delanteros, en parte, se utilizan para reducir el flujo en la parte inferior de un monoplaza, lo cual es deseable cuando el suelo de los Fórmula 1 no tiene una superficie inferior lisa por el difusor. En el caso en que el suelo fuera completamente plano y liso, sería peor disponer de un alerón delantero, ya que al necesitar una gran cantidad de aire para ser eficaz, el alerón simplemente reduciría este aire.

El difusor se emplea para incrementar el radio de flujo que hay debajo del coche, ya que existe un límite en la cantidad de aire que se puede succionar de la parte frontal, aunque a veces el aire provenga del lateral aprovechándose.

Para ello, se instala el alerón delantero, debido a su capacidad de configuración, ya que ni el difusor, ni el fondo plano son ajustables. Esto es lo deseable ya que el alerón puede aumentar el desempeño del difusor gracias a un aumento del caudal de aire y, en definitiva, su efecto.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google