Análisis Técnico – Aeroelasticidad – Flexi-gate

Lotus 72D cuyo alerón trasero se deformaba generando menos drag.

La aerodinámica móvil se declaró ilegal en 1969, pero fue en 1972 cuando el Lotus 72D se configuró con un taco de goma en el alerón trasero que permitía cambiar el ángulo de ataque a alta velocidad.

En los boxes, los mecánicos o delegados técnicos eran capaces de poner todo su peso sobre el mismo sin el mínimo movimiento posible, pero bajo carga aerodinámica en una larga recta el ángulo cambiaba totalmente reduciendo el drag generado. Este componente conseguía evitar ser detectado hasta que Denny Hulme, piloto de McLaren por aquellos entonces, vio el casco de Emerson Fittipaldi ir por encima del alerón trasero en las rectas. Por ello, el equipo Lotus, a riesgo de ser pillado, eliminó este taco de goma sin que hubiera ninguna acción al respecto.

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Comparación de la flexión de los alerones delanteros del Red Bull RB6 y McLaren MP4-26.

Desde el cambio de normativa de los alerones (2009), se empezó a notar cómo las alas delanteras de Red Bull comenzaban a doblarse, llegando incluso a tocar el suelo. La estimación sugiere que los endplates flexaban 24mm. Posteriormente fue confirmado por McLaren previa investigación de los alerones del RB6 para que la FIA cambiase las pruebas de flexión de estos alerones que aplicaban un peso de 50kg y un máximo de 10mm de flexión a un peso de 100kg con un máximo de 20mm de deformación.

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Comparación de la flexión de los alerones delanteros del Red Bull RB6 y Mercedes W01.

A pesar de ello, Red Bull seguía pasando el test debido a que la fibra de carbono puede ser tejida de formas distintas para diversos comportamientos bajo diferentes cargas. La teoría es que el ala se flexiona hacia el exterior y hacia abajo gracias a un proceso de estratificación – colocación en capas – sofisticada de material compuesto de carbono.

Los compuestos laminados diseñados de forma adecuada pueden presentar características de acoplamiento elástico que se inducen a un cambio adaptativo. Es decir, un compuesto con esta propiedad bajo cargas normales probablemente experimentará una deformación por desplazamiento. El diseño del alerón de Red Bull es un claro caso de la utilización de este material de acoplamiento elástico inducido para deformarse curvadamente. Este concepto es una prueba de la actuación pasiva de la torsión del ala.

¿Por qué se hace esto? El efecto suelo es la clave. Para comprender este sistema debemos saber que el punto principal del efecto suelo en el alerón delantero depende de dos mecanismos. En primer lugar, se produce un efecto Venturi cuando el ala está más cerca del suelo, acelerando el aire entre el suelo, por lo que el alerón genera mayor carga aerodinámica. En segundo lugar, la formación de un vórtice debajo del extremo del ala, cercano al endplate, lo que produce carga aerodinámica manteniendo la capa límite unida con un mayor ángulo de ataque del alerón.

En la zona superior, la carga aerodinámica aumenta exponencialmente a medida que se reduce la altura del ala. Por debajo de ella, la carga aerodinámica también aumentará debido al efecto Venturi antes mencionado, pero la tasa de aumento es más lineal. Eventualmente, a una altura muy, muy baja por encima del suelo, el vórtice se destruiría, separando la capa límite de la superficie de aspiración, por lo que la carga aerodinámica disminuiría.

Todo esto se produce en condiciones perfectas. Sin embargo, con la presencia de una rueda girando inmediatamente después del alerón, hace que las cosas sean algo más difíciles.

Alerones flexibles del Red Bull RB7, Mercedes W02 y Ferrari F150th Italia en 2011.

El reglamento técnico de 2011 afirmaba que el alerón delantero no debía ser inferior a 75mm por encima del plano de referencia, siendo el punto más bajo, excluyendo el skidblock. Para comprobar el cumplimiento de esta regla, se aplican 1000N (aproximadamente 102kg) a los dos extremos del alerón delantero en las verificaciones a una distancia de 790mm desde el eje longitudinal del coche y 800mm por delante de la línea central de las ruedas delanteras. Se permitía la deformación de no más de 20mm – siendo 10mm en 2013. La FIA puso en vigor un criterio más estricto en el que las cargas se aplican de forma simultánea o en un lado a la vez.

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Pruebas de carga y flexión permitida en el año 2013.

Por regla general, el alerón delantero de un coche de Fórmula 1 produce aproximadamente el 35% de la carga aerodinámica total, produciendo más de 2000kg de downforce, con los flaps estando sujetos a una carga masiva de casi 7000N (700kg).

En la temporada 2013, la FIA revisó los procedimientos de prueba de los alerones delanteros y se introdujo una serie más amplia y vigorosa de pruebas diseñadas para erradicar la práctica de la carrocería flexible. Las alas delanteras, en particular, serían sometidas a parámetros revisados, con una tolerancia de 10mm (0,39 pulgadas) que se permite cuando el ala es sometida a 1000N de fuerza (102kg).

En las normas no hay nada relacionado con la rotación del ala, por lo que la FIA ha movido el punto de aplicación de este test al punto central del ala, en cada extremo de la misma, uno hacia adelante y otro en la parte trasera garantizando que el alerón se mueva en esa línea.

Consciente de la posibilidad de que algunas escuderías pudiesen estar utilizando estos diseños que pasan los test, la FIA ajustó sus pruebas de forma que el área de prueba se sitúa 150mm más lejos, a 945mm de la línea central del vehículo y en cualquier punto a lo largo de una sección de 300mm del endplate (en los puntos 675mm y 975mm por delante del eje central de las ruedas delanteras).

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Estos test limitan la cantidad de planos principales que puedan rotar. No obstante, la flexión es algo que siempre existirá en Fórmula 1 y no se podrá restringir. Red Bull consiguió pasar los test obligando a sus rivales a copiar soluciones similares si querían tener un rendimiento parecido.

El aumento de la dureza en estos test en la temporada 2011 provocó que la mayoría de equipos no pusieran especial énfasis en el desarrollo de la flexibilidad en los alerones delanteros. No obstante, Red Bull demostró al año siguiente que, gracias a la implementación de la elasticidad necesaria a través de la orientación adecuada de las capas de fibra de carbono, se podía conseguir un enfoque perfectamente legal y obtener una ventaja de ello.

En la temporada 2012, toda la historia de los alerones flexibles dio una vuelta de tuerca cuando se podía observar cómo Red Bull flexaba los morros de sus RB7 en curva.

Aunque en primer lugar se pensaba que la marca austríaca empleaba el mismo sistema que McLaren con su rotación de los soportes del morro reduciendo el drag generado por el ala frontal, el daño causado en uno de los endplates del ala puso especial atención al movimiento de este componente bajo flexión. Contemplando las imágenes del coche de Mark Webber, se aprecia como no sólo se mueven todos los planos del alerón, sino también los soportes y el morro permitiendo un movimiento en todas direcciones.

Este efecto intenta imitar el efecto del Mass Damper, el amortiguador de masas que fue prohibido en 2005, y que consistía en reducir el rebote de los neumáticos en curvas recuperando el área de contacto con la superficie bajo carga aerodinámica. Se cree que Red Bull pudo haber estudiado su propio sistema de masas y colocado en la punta de la nariz con el mismo objetivo.

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Con la reglamentación en la mano, es más plausible que Red Bull haya reinventado este sistema para ayudar a calentar los neumáticos delanteros, que provocaría una mayor duración y menos degradación.

En términos de aerodinámica, este mecanismo de deformación nariz/ala ayuda a mantener el resto del coche más estable haciendo que la plataforma aerodinámica delantera sea más consistente. Con la eliminación de los escapes soplados, tener una zona más estable provocará que la zaga del coche también se mantenga pegada al suelo con un resultado más consistente y con la ganacia extra de carga aerodinámica que eso supone.

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A pesar de la exageración debido a los daños en el vídeo de la nariz flexible de Sebastian Vettel, es cierto que los primeros 150mm de la estructura de la nariz de un monoplaza se hace más ligera para que no exceda la máxima deceleración de 10G de fuerza durante las pruebas de impacto de la FIA. A pesar de ello, da una pista de cómo funciona el sistema. La flexibilidad mostrada por el morro, el peso propio del alerón junto con el posicionamiento de las cámaras de la FOM son críticos en todo el proceso de distribución de masas, ya que, como previamente se ha explicado, la colocación de las capas de fibra de carbono en esta zona – el morro cuenta de 1 a 3 capas de fibra de carbono – puede hacer que los soportes – 0,6kg – del morro se muevan aprovechándose de la deformación de la nariz para mover toda la estructura del alerón delantero, replicando el efecto del Mass Damper previamente mencionado.

McLaren lució un alerón delantero totalmente diferente a mitad de la misma temporada 2012. A pesar del cambio de endplates, flaps y cascadas, lo que realmente llamaba la atención de este alerón eran los soportes del morro. Desde imágenes en televisión se observaba cómo el ala se separaba progresivamente de su anclaje, lo que volvía a suscitar preguntas sobre la aerodinámica flexible. Sin embargo, la FIA declaró legal este alerón en sus chequeos de verificación.

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Debido a que McLaren colocaba las cámaras de la FOM en los soportes delanteros, justo detrás de ellos, la cámara onboard presentaba una clara imagen de cómo funcionaba este sistema.

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La construcción de este mecanismo es bastante simple: la parte central del ala principal tiene una placa de metal adjunta a ella, a través de la cual había una varilla roscada. Estas varillas se conectan a los soportes del morro sujetadas con tuercas que limitan la libertad de movimiento. Los equipos introducían además una cuña que aseguraba la altura del ala cuando ésta era estática.

No obstante, el ala de McLaren parecía articulada en los pilares permitiendo que este girase ligeramente hacia atrás. La traducción de esto es básicamente que a cierta velocidad aparecía una brecha incremental en la parte posterior de entre el ala y los pilones. Al frenar, esta brecha se cerraba para quedar en su forma original.

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Este efecto produciría que el alerón produjera menos drag gracias a un menor ángulo de ataque. Aquí entra en juego la forma en que el difusor genere downforce en la manera que produce subviraje, dando como resultado un coche más estable a altas velocidades.

Este producto del mejor equilibrio aerodinámico en este rango de velocidad, difiere de objetivo del antes comentado de Red Bull, cuyo alerón se inclina hacia adelante creando más carga aerodinámica, con la diferencia de buscar el mayor rendimiento independientemente del mejor equilibrio del coche.

Varios exdiseñadores han argumentado que en las últimas temporadas estos alerones disponían de resortes que abrían una brecha controlada más allá del peso aplicado por la FIA en sus test. Esto, por supuesto, es mucho más fácil de controlar que la fabricación de fibra de carbono de manera específica para que se deforme bajo carga.

Las reglas no especifican que tales mecanismos estén prohibidos, aunque ha seguido una reacción similar a una posible flexión en los splitters de Red Bull, que podrían moverse a cierta velocidad gracias a la ayuda de un resorte – pero a su vez pasarían los test de la FIA.

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Comienzo de la temporada – GP de China – GP de Brasil.

Con la llegada de la temporada 2014 y toda la nueva reglamentación, Red Bull ha dado un pasito más allá en su explotación de vacíos legales del reglamento, gracias en gran medida al bajo rendimiento presentado por el propulsor Renault a diferencia de Mercedes.

La FIA descubrió que Red Bull flexionaba sus flaps del alerón delantero inducido por un resorte ilegal – lo cual no forma parte de la aeroelasticidad. Aunque en la normativa no aparece ninguna prueba de deformación en dichos flaps, lo cierto es que sí que apunta a que ningún componente debe mover la carrocería deliberadamente, ya que la FIA impone unos test de flexión según el Artículo 3.17.

Aunque el Artículo 3.15 del reglamento técnico establece que la carrocería debe ser rígida a excepción del artilugio del DRS, se podría decir que la carrocería se deformará bajo efecto de la carga aerodinámica, sin que otro componente altere este movimiento.

La FIA no deja claro qué hace flexionar los flaps, sin embargo, se especula con la posibilidad de ser la rosca que ajusta el ángulo de ataque de dichos flaps, la cual al girar hacia un sentido o hacia otro varía la resistencia que ofrecen las aletas en consonancia con la rigidez exigida por el Artículo 3.15.

Este dispositivo se conforma de 2 partes: una de caucho que sirve de casa para la parte superior de la rosca con un soporte conectado al flap de forma que se mantuviese rígido y la propia rosca en sí, fabricada de metal o fibra de carbono en otros casos.

En circunstancias normales el flap superior se deforma con bastante carga gracias a la forma en que la fibra de carbono está tejida. Digamos que está diseñada para flexar dentro de un umbral de velocidad específica manipulando el flujo a una posición deseada. Esto aumenta la producción general de downforce, pero principalmente está confeccionado así por el equilibrio del coche.

Conforme se aumenta la velocidad, un ala con gran carga no es demasiado óptima ya que puede degradar en exceso los neumáticos traseros y el coche tiende a sobrevirar. Por ellos, los ingenieros tienden a configurar un coche más subvirador que cuide más las gomas. Esto conduce a un ala de menos carga que siguen a una serie de cambios mecánicos.

Se cree que Red Bull ha podido variar este ajustador durante la temporada, con un cambio de color en cada uno de ellos. El sistema estaba ‘escondido’ en la rosca. El muelle o resorte podría estar hecho de un material más ligero comprimiéndose bajo el efecto de la carga aerodinámica y volviendo a su posición original en curva de una forma más sencilla que la comprensión normal generada por la fuerza del aire.

Esta comprensión va en línea con la deformación de los neumáticos a gran velocidad, siendo capaz de manejar una mayor masa de aire en la parte trasera del monoplaza, donde generalmente más carga aerodinámica se genera. A su vez, el centro de presión se retrasa cambiando el equilibrio del coche de forma que sea más estable en frenada y en curva.

Este sistema es ilegal, dado que ningún dispositivo puede alterar la deformación de la carrocería del coche más allá de lo que flexe por sí mismo. Red Bull intentaría camuflarlo variando el color de este ajustador para que nadie se extrañase si variaban el artefacto.

Así pues, en la temporada 2015 la FIA intenta cerrar el grifo de la deformación a los equipos con una directiva técnica. Ya en 2014 las escuadras abusaban de la deformación de los alerones delanteros gracias a la forma de tejer la fibra de carbono, permitiéndoles pasar olgadamente los chequeos del máximo organismo y extraer un beneficio aerodinámico esencial a grandes velocidades.

La FIA cita que: “Se podrá aplicar una carga de 60N (unos 588kg) en cualquier punto del borde de salida de los flaps superiores del alerón delantero. La carga se aplicará de forma normal en cualquier punto, y la desviación no excederá de 3mm cuando se mide de forma vertical en el borde de salida con el fin de cumplir la normativa vigente”.

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