Análisis Técnico – Splitter

Los splitters o divisores delanteros son componentes aerodinámicos esenciales que sirven para equilibrar la distribución delantera de carga aerodinámica frente a la trasera. Este elemento se encuentra típicamente en la parte frontal de un coche de carreras y aparece como una extensión plana en la parte inferior del parachoques (si se trata de un turismo) o del monocasco, por detrás del alerón delantero (en el caso de un monoplaza). El divisor se extiende en línea recta, paralela al suelo y suele estar fabricado en fibra de carbono u otro material rígido.

En el ambiente de un turismo de competición, éste se adjunta a la parte inferior del parachoques, mencionado con anterioridad y puede apoyarse en dos o más pilares o varillas de soporte a cierta distancia por delante de los puntos de montaje del parachoques. Estas varillas garantizan que el splitter se mantenga paralelo al suelo, includo cuando hay fuerzas externas funcionando alrededor de dicho componente.

La finalidad de este elemento no es más que la de producir carga aerodinámica mediante la formación de una diferencia de presión de aire entre la región superior y la inferior del mismo cuando el coche se desplaza.

Para comprender cómo este divisor crea downforce, hay que comenzar entendiendo algo de dinámica de fluidos. Hay que ser consciente de la diferencia que existe entre la presión estática y dinámica, además de saber cómo la presión dinámica está relacionada con la velocidad del flujo. Para ello, basta con aplicar la ecuación de Bernoulli, que cita que si un fluido circula alrededor de un objeto a distintas velocidades, el flujo de movimiento más lento ejercerá más presión sobre el objeto cuyo flujo sea más veloz. El objeto entonces se desplazará forzadamente hacia el fluido de movimiento más rápido (efecto Venturi).

bernoulliprinciple

Cuando un coche se desplaza a alta velocidad, la presión del aire en la zona delantera puede llegar a ser muy alta. El aire entrante se aproxima al coche a una velocidad V1 (velocidad a la que el aire bordea el coche) con una presión P1 relacionada con la velocidad V1 de la ecuación de Bernoulli, por lo que la presión P1 será algo menor 1 atmósfera de presión. Por tanto, el punto esencial que ha de ser tomado en la ecuación de Bernoulli es que la presión dentro de una corriente de aire está relacionada con la velocidad a la que esta corriente de aire se mueve.

Todo este aire termina yendo por encima y por debajo del coche, siendo dividido. Cuando se acumula demasiado aire bajo el coche, la presión se acumula y aumenta, contribuyendo a crear lo opuesto a la carga aerodinámica: ascenso. Esto provoca que el coche se levante, debido a la formación de altas presiones y reduzca ostensiblemente la cantidad de tracción en el tren delantero.

Estas altas presiones, y por ende, baja velocidad del aire, comparada con la velocidad del aire que transcurre en la parte superior del coche, tiende a crear un ascenso general del coche al completo. Por lo general, la mayoría de coches de calle que viajan a velocidades superiores a los 100km/h producen grandes cantidades de elevación positiva.

La intención en todo momento es tener una presión mucho menor en la zona inferior, para así tener una mayor velocidad del aire en esta área, dejando las altas presiones en la zona superior con una velocidad más lenta.

Tener bajas presiones en la parte inferior contribuye a reducir el ascenso. Cuando la elevación se ha reducido lo suficiente hasta el punto donde exista una elevación negativa, es entonces cuando surge la formación de carga aerodinámica neta positiva.

A medida que la velocidad del flujo de aire sube, la presión dinámica baja. Es decir, el aire viaja más rápido en una zona de bajas presiones que se crea por debajo del splitter y que succiona la parte delantera, pegándola al asfalto, provocando carga aerodinámica y reduciendo el subviraje, especialmente en trazados donde hay virajes rápidos y fluidos.

venturi-effect-splitter

Sin embargo, el splitter en sí mismo no se encarga de crear carga aerodinámica. Lo que realmente hace este elemento es aumentar el área sobre la cual, las altas presiones pueden acumularse. Cuanto más alta sea esta presión, más baja será por debajo del divisor, por lo que habrá más diferencia de presión, ergo más carga aerodinámica.

Además, tanto en el caso de turismos, como en monoplazas, si se dejan aperturas o guías para conductos de refrigeración, radiadores en los pontones, etc; el aumento de la presión del aire animará a que el aire fluya hacia estos sectores.

El dibujo superior muestra lo que ocurre cuando el aire entrante llega a la parte delantera del vehículo. El aire debe detenerse antes de dirigirse hacia arriba, hacia abajo o alrededor del vehículo. El área donde el flujo vuelve hacia atrás y se detiene pasa a llamarse ‘punto de estancamiento’, ya que la velocidad se reduce y la presión aumenta (presión estancada). En otras palabras, la parte delantera del coche presenta una zona de presión relativamente alta.

Cuanto más cercano esté el coche al suelo en este punto, mayor será punto de succión (comúnmente denominado efecto suelo), por lo que el splitter suele colocarse en el punto más bajo posible.

Sin embargo, si el divisor se sitúa demasiado cerca del suelo, se estancará y no formará carga aerodinámica, sino resistencia. Esto se debe a que el aire no es capaz de moverse en la parte inferior de dicho componente, de forma que la velocidad del flujo que logre cruzar disminuirá, aumentando la presión.

Por este motivo, podemos comprobar cómo la altura en esta región es muy sensible a cambios, ya que el objetivo es maximizar esta velocidad sin llegar a perder el efecto deseado. Con el fin de eliminar esta sensiblidad, se emplean distintas alturas en el splitter. Esto se traduce en un divisor de forma anhedral (más bajo por los extremos que en la parte central), de manera que en el caso que toque el suelo, parte del divisor continuará creando carga aerodinámica.

En el caso de un coche con motor delantero propenso al subviraje, además de reducir el peso, las mejoras en la suspensión, la ampliación de la superficie de contacto del neumático, se puede sumar la adición de un splitter que ayude a eliminar este subviraje.

A la hora de fabricar un splitter hay que tener en cuenta la resistencia y flexibilidad en caso de accidente. Se pueden incorporar múltiples capas de materiales compuestos, como el kevlar para mayor flexibilidad recubierto de fibra de carbono para la resistencia, aunque el coste no justifique los medios.

En el campo de la Fórmula 1, al splitter también se le conoce como bandeja del té.

A finales de los años 80, cuando los diseñadores adelgazaban y elevaban los morros de los coches, surgió la necesidad de crear una sección de suelo bajo la parte delantera del monocasco que originase todo este efecto y cumpliese con la normativa del fondo plano. El primer divisor utilizado en Fórmula 1 nació de la mano del Tyrrell 019, con una nariz completamente elevada. Desde entonces, el splitter se ha expuesto cada vez más y más, debido a que los equipos buscaban elevar y reducir la sección transversal del chasis para beneficio aerodinámico.

Estos splitters han jugado un papel destinado a formar parte en el inferior del chasis uniendo las planchas del suelo con el fondo plano. En un origen, el splitter se ha mostrado parte del perfil del monocasco, ya que desde una vista frontal del coche, este componente no podía verse.

La intención de la FIA era la de permitir únicamente eso. No obstante, como todo en Fórmula 1, esta región del coche ha sido explotada y la bandeja del té ahora forma parte de la aerodinámica a la vez que del chasis.

La funcionalidad sigue siendo la misma: separar el flujo de aire que entra por la nariz en dos. Uno de ellos se queda en la parte superior y el otro atraviesa la región inferior del fondo. La parte final superior del divisor, justo en el punto en que el splitter se une con el monocasco, no tiene forma de arco (como en un turismo), sino que su contorno también divide el paso del flujo de aire hacia la izquierda y la derecha.

Los equipos hacen uso de este flujo tan poderoso para alterar la distribución de la presión de aire a través y sobre el suelo para mejorar la calidad del aire que llega al difusor, con ayuda de deflectores, generadores de vórtices y bargeboards. De esta forma, el splitter juega un papel crítico en el tratamiento del flujo inicial en su camino hacia el difusor.

Al ser colocado tan bajo y hacia adelante, el divisor también puede ser utilizado como ubicación para el lastre. Todo va en función de ciertas variables, como los neumáticos y problemas aerodinámicos. De esta forma, las escuderías llegan a colocar el 50% del lastre en el eje delantero. En un monoplaza con motor trasero, la única manera de equilibrarlo es situar el lastre en la parte frontal del coche, por lo que, en ocasiones, el metal ha sido el elemento de construcción del splitter con el fin de maximizar el reparto delantero de peso.

Lastre de titanio (flecha verde) sobre el splitter y anclaje al chasis (flecha roja).

A partir del año 2007, se ha hablado y especulado mucho sobre suelos móviles en los coches de Fórmula 1. Los equipos han desarrollado una manera de montar el divisor de tal forma que pasara la prueba de flexión de suelo durante los chequeos de la FIA cada fin de semana, pero bajo carga aerodinámica se deforme hacia abajo con la correspondiente ganancia aerodinámica que ésto supone. A pesar de los esfuerzos de las escuadras, tan sólo Ferrari y BMW llegaron a lograr dicho efecto.

La FIA decidió vigilar la situación con ayuda de un pistón hidráulico que empuja el suelo hacia arriba desde la parte inferior del coche midiendo la cantidad de movimiento bajo una fuerza específica. Al igual que la prueba de flexión del ala, si la parte pasa el test, se considera legal, aun flexando más con mayor carga. Esta aparente anomalía está presente porque la FIA decidió proporcionar un cierto grado de libertad en la regulación para evitar daños en esta sección del suelo cuando el coche se sube encima de los pianos – sobre todo porque en los últimos años la mayor parte del lastre colocado en el coche se encuentra en esta área.

El Artículo 3.17.4 del reglamento técnico actual establece que ninguna pieza de la carrocería, suelo incluido, puede desviarse más de 5 milímetros verticalmente cuando se expone a una carga hacia arriba de 500 Newtons.

En aquel año, McLaren tuvo conocimiento del dispositivo que utilizaba Ferrari y que BMW Sauber también empleaba a principios del fin de semana del primer Gran Premio de la temporada en Melbourne. Durante este período de tiempo, el jefe de mecánicos, Nigel Stepney (más tarde acusado de espiar al equipo Ferrari y de transferencia de gran cantidad de información técnica y de configuración a McLaren), informó a McLaren acerca de esta innovación. Posteriormente, se tuvo constancia de que Paddy Lowe, director de ingeniería de McLaren por aquellos entonces, escribió a la FIA preguntando si tenía permiso para incorporar un sistema similar en el MP4-22. En su carta, que también contenía un diagrama de los planes de McLaren, Lowe escribió: “Nos gustaría considerar la instalación de un mecanismo en la parte frontal del suelo que consta de muelles y pivotes. Gracias a una disposición adecuada y la configuración de los muelles (tasas y precarga) dentro de este mecanismo, vamos a ser capaces de controlar la flexibilidad del splitter con el fin de cumplir los requisitos de la prueba prevista en el artículo 3.17.4, pero permitiendo mayor flexibilidad a cargas más altas por una característica no lineal”.

La carta de Lowe estaba claramente dirigida a captar la atención de la FIA sobre el dispositivo usado por Ferrari y BMW como principales rivales, y aclarar si el uso de este elemento de este tipo se consideraba legal si su única intención era la de conseguir pasar las pruebas de flexibilidad de la FIA.

Una semana más tarde, el delegado técnico de la FIA, Charlie Whiting, respondió a McLaren con una carta distribuida a todos los equipos, en la que aclaró el permiso de uso de este tipo de dispositivo, añadiendo que las pruebas de la carrocería se modificarían en consecuencia.

“La prueba que se describe en el artículo 3.17.4 pretende poner a prueba la flexibilidad de la carrocería en esa zona, no la resistencia de un dispositivo equipado con el propósito de permitir que la carrocería se mueva aún más una vez que se supera la carga máxima de prueba”.

“Es evidente que cualquiera de esos dispositivos se ha diseñado para permitir la flexibilidad y, por tanto, está estrictamente prohibida por el artículo 3.15 del Reglamento Técnico. No tenemos ninguna objeción a un dispositivo en esta zona, que está equipado para evitar que la carrocería se mueva hacia abajo, siempre y cuando sea claro que no está diseñado para eludir la prueba descrita en el artículo 3.17.4. Por lo tanto, con efecto inmediato, estaremos probando carrocería en el área relevante con tales dispositivos retirados”.

Los beneficios son claros. Si se introduce una forma de permitir que el splitter ascienda a alta velocidad, dará lugar a una pérdida aerodinámica debajo de la carrocería. Esto significa que el flujo de aire que pasa a través del difusor ya no sigue el perfil del mismo. En cambio, en un momento dado, determinado por los niveles de presión del aire cerca de las paredes del difusor, el flujo se separa provocando que trace una trayectoria horizontal, originando un menor drag, con menos downforce.

Esto podría ser visto como un mal funcionamiento del difusor (que de hecho lo es) pero también un efecto que se puede generar intencionalmente. Entre los beneficios potenciales, es un aumento de la velocidad en recta gracias a la pérdida de resistencia, o una mejora en general de equilibrio gracias del coche a la reducción carga aerodinámica trasera.

Algunos equipos montan el suelo con puntales de metal fino o cables. Sin embargo, estas soluciones son tan propensas a deformarse con cierta velocidad como los apoyos de Ferrari y BMW que flexaban bajo la presión del aire pasando por debajo del coche. Así, algunos equipos – la prensa centró la vista en Ferrari y BMW Sauber – comenzaron a utilizar muelles como dispositivos de flexión que permitían la flexión limitada, pero legal, del splitter para prevenir daños sobre los pianos, etc.

Aclaración de la FIA

“Los métodos de montaje del suelo de ‘los diversos equipos’ han sido conocidos por los comisarios técnicos de la FIA desde hace algún tiempo. El suelo de Ferrari y BMW, han pasado las verificaciones técnicas en cada carrera desde que fuera utilizado hasta el momento, al menos desde el Gran Premio de Japón el año pasado (2006)”.

La especulación sobre los fondos planos móviles no continuaron mucho más tiempo debido a una pequeña aclaración de las normas introducidas por la FIA antes del Gran Premio de Malasia en 2007. Desde entonces, la prueba de flexión del suelo se llevará a cabo sin cualquiera de los mencionados dispositivos de soporte. Por lo que a partir de aquel momento, todos los dispositivos similares diseñados para permitir mayor movimiento bajo una mayor carga generada a altas velocidades quedaron totalmente prohibidos.

En una nota lateral, Mike Coughlan a Racecar-Engineering, afirmó que el splitter del Ferrari F2007 también se empleaba como amortiguador de masas, siendo prohibido el año anterior. Una de las defensas utilizadas por McLaren (después del famoso caso de espionaje) fue que Stepney, el ex empleado de Ferrari, fue “denunciado por irregularidades”, algo que el tribunal tuvo problemas para aceptar cubriendo todo el asunto, pero sin duda tuvo un gran efecto en el Gran Premio de Australia. Ferrari ganó la carrera, pero la FIA después prohibió el suelo del coche. McLaren afirmó que el Ferrari que ganó era ilegal y en una carta de Stepney a la FIA enviada después de la audiencia reveló que bien podría haber sido, como lo fue en efecto, un amortiguador de masas. Estos dispositivos fueron prohibidos la temporada anterior, ya que se consideró polémicamente un dispositivo aerodinámico móvil.

Stepney reveló en detalle el funcionamiento exacto del suelo que se utilizó en carrera: “El fondo delantero está unido al chasis a través de una bisagra mecánica en su punto más posterior. El soporte en la zona más delantera es un muelle de compresión y un resorte de tensión dentro de la cual puede ajustarse de acuerdo a la cantidad de masa que haya colocada en el suelo. También hay un faldón que sella el suelo al chasis, que está hecho de caucho y kevlar para ayudar a la flexibilidad y reducir la fricción en el sistema”.

“Si el sistema se hubiera permitido, podría haber significado un enorme costo de desarrollo para otros equipos en áreas tales como el chasis y en las bandejas, etc., dando paso a la provisión del almacenamiento del sistema con una cantidad variable de masa. Las posibles consecuencias a largo plazo de un sistema de este tipo sería bastante importante porque el sistema está en un estado crudo de desarrollo”.

El sistema detallado por Stepney permitió que el F2007 atacará los bordillos mayor agresividad debido a la flexibilidad de 14-15mm en el borde de ataque del suelo, lo que significaba que los monoplazas italianos podría trazar las chicanes en una línea más recta que otro chasis. El desgaste de la parte frontal del tablón también se reduciría, permitiendo que el coche se configurara más bajo, dando una ganancia aerodinámica clara.

Stepney también explica el comportamiento dinámico del coche, y las ventajas que la flexión del suelo daba: A unos 160-180km/h, el coche es 7-8mm aproximadamente más bajo en el borde delantero del suelo, lo que multiplica hasta casi 19-20mm menos la altura del alerón delantero. Los beneficios en términos de efectos de suelo y la eficiencia afectaría al paquete completo, con componentes como turning vanes y alas delanteras a una altura reducida en relación al asfalto”.

Desde 1983, cuando se reguló la incorporación de suelos planos, se ha producido una tolerancia por problemas de fabricación. Esta tolerancia se endureció de 5mm a 3mm en el año 2012. Sin embargo, a principios del mismo año surgieron rumores de que los equipos estaban utilizando esta tolerancia para inclinar el splitter hacia arriba. La explotación de esta tolerancia en este elemento significa que el coche puede funcionar 3mm más bajo en el eje delantero, con una ganancia fundamental en la eficiencia del alerón delantero.

Fruto de ello, la regulación técnica modificó esta práctica estableciendo que:

3.12.6 Para ayudar a superar los posibles problemas de fabricación, y no permitir que cualquier diseño que pudiera contravenir alguna parte de estos reglamentos, se permiten tolerancias dimensionales en la carrocería situada entre 330mm punto por detrás de la línea central de la ruedas delanteras y la línea central de la rueda trasera. Una tolerancia vertical de +/-3mm es admisible a través de las superficies situadas en la línea de referencia y se permite una tolerancia horizontal de 3mm al evaluar si una superficie es visible desde debajo del coche.

Como consecuencia, los equipos dejaron de poder curvar deliberadamente el fondo plano con fines aerodinámicos.

Historia del splitter en Fórmula 1

En los inicios del splitter, algunas marcas como McLaren, Lotus y Ferrari continuaron configurando el ala delantera sin más. Sin embargo, hubo un grupo que abandonó el concepto durante más de una década y se centró en instalar un splitter en la parte delantera del morro. Este grupo de escuderías incluía a March, Brabham y Tyrrell, con un Jackie Stewart ganando los títulos de 1971 y 1973 bajo este diseño de Tyrrell.

Parte de la motivación fue reducir la superficie de elevación, así como el drag y la turbulencia creada por los neumáticos delanteros. Los splitters delanteros eran mucho más anchos y grandes que colocar un alerón delantero, y desviaba gran parte del flujo alrededor de las ruedas.

La otra parte viene dada por el efecto suelo. El splitter otorgaba una barrera vertical que maximizaba el punto de estancamiento de alta presión en la parte delantera, lo que aceleraba el flujo a través de un espacio restringido entre el divisor y el suelo. Un divisor horizontal que se extiende desde la parte inferior del mismo, toma ventaja de la alta presión del punto de estancamiento para generar algo de carga aerodinámica adicional.

El splitter es, parcialmente, un dispositivo que obtiene el famoso efecto suelo, lo que explica cómo coches como el Brabham o el Tyrrell eran capaces de ganar Grandes Premios sin utilizar alerón delantero. Incluso añadiendo cierto rake que acentuaba el efecto suelo producido por estos componentes. Así que, tal vez y sorprendentemente, el efecto suelo en la Fórmula 1 es en realidad anterior a los túneles venturi bajo la carrocería y faldones utilizados en el Lotus 78/79. La introducción del efecto Venturi bajo el coche y los faldones fue la sentencia de muerte para los alerones delanteros, ya que la prioridad pasó por alimentar la parte inferior con la mayor cantidad de flujo de aire posible.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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