03/01/06 5:00 am.
"Alerones de
competición"
Los
alerones son usados para que los autos se "peguen" al piso y de
esta forma puedan pasar más rápidamente las curvas, sin embargo
esto tiene un punto en contra: se sacrifica la velocidad final,
ya que a grandes velocidades los alerones producen una gran
fuerza descendente y frenan el auto (un F1 o Cart a más de 270
km/h, podría andar por el techo o al revés), por eso los pilotos
siempre tratan de buscar el equilibrio perfecto.
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Jarno Trulli con el TF106, el nuevo auto de Toyota para el
2006 que presenta nuevas aerodinamias |
Powerby©.-
El tiempo de paso por curva, se ha convertido en uno de los
factores más importantes y transcendentales en toda carrera;
evidentemente, la velocidad máxima es crucial, pero lo es más el
tiempo de paso por curva, y es ahí donde se ganan muchas
carreras; hoy en día esto es básico, tal y como ha evolucionado
el mundo de la competición, sobre todo en la Fórmula 1.
La
herramienta básica usada para aumentar la Down Force, es el
alerón; se trata de una superficie que genera una fuerza hacia
abajo, la cual, es la encargada de "pegar" el auto al asfalto, o
en resumidas cuentas, hacer que pese más, con la misma masa.
Sustentación:
Primero
que nada hay que saber algo básico de la aerodinámica, el efecto
de la sustentación, usado para que los aviones se eleven. Esto
sucede por la forma que tienen las alas (ver fig. 1) al pasar
una corriente de aire por el ala, el aire que pasa por la parte
superior recorre mayor distancia que el que pasa por la parte
inferior, esto produce una baja de presión en la parte superior
y la mayor presión presente en la parte inferior produce una
fuerza acendente (ver fig. 2)
 (Fig.
1)
 (Fig.
2)
Ahora si invertimos
esta ala se produciría una fuerza descendente (ver fig. 3), de
esta forma funcionan los alerones y el efecto suelo. Uno de los
principales problemas del efecto suelo fue que si el auto se
daba vuelta el ala funcionaba como el ala de un avión (un
ejemplo de esto es el accidente de Giles Villeneuve). Hoy en día
con la sofisticación existente los alerones de los F-1 son muy
complejos, con diferentes conjuntos de alas que son más
eficientes.
 (Fig.
3)
A su vez,
el efecto de sustentación, provoca un momento (una fuerza
rotatoria de la superficie), la cual, hay que considerar a la
hora, por ejemplo, de diseñar los amarres de los alerones, y
también a la hora de diseñar el auto en conjunto.
Veamos
algunas definiciones: llamamos envergadura a la longitud
(sentido transversal de la marcha) de la superficie o alerón;
llamamos cuerda, a su anchura; llamamos espesor, al espesor
máximo del perfil.
Notemos
una cosa muy importante: el hecho de existir sustentación,
radica en que el aire que circula a mayor velocidad, está
"pegado" a la superficie; si el ángulo de incidencia es
demasiado grande, el aire se "despega" de la superficie, cayendo
la fuerza de sustentación; evidentemente, si queremos alcanzar
grandes fuerzas de sustentación con un mismo alerón, hemos de
colocarlo con un gran ángulo de ataque o de incidencia; para
poder alcanzar grandes valores de incidencia, hemos de intentar
que el aire no se desprenda de la superficie, pues en caso
contrario, no sólo no estaremos aumentando la sustentación, si
no que además estaremos aumentando de manera muy considerable y
apreciable, la resistencia.
Para
impedir el desprendimiento del aire, podemos aumentar la
velocidad en la zona conflictiva, a partir de la colocación de
otra superficie:
Por la
zona que queda entre las 2 placas, el aire alcanza mucha
velocidad, haciendo que el aire que circula por debajo de la
placa principal o inferior, permanezca adherido a ella. Con
ello, conseguimos altos ángulos de incidencia y por tanto, altos
valores de fuerza de sustentación (en este caso, de Down Force).
En el estudio y análisis del tipo de perfiles, las distancias
entre ellos y demás, radica una buena investigación (CFD, Túnel
de Viento o Telemetría en ensayo real), estudio y por tanto,
eficiencia.
Tipos
de alerones:
Existen
muchos tipos de alerones clasificables básicamente, en función
del número de superficies que tengan, si bien es verdad que es
posible clasificarlos en función de otros parámetros.
Alerón de
2 superficies: Se trata de una mejora del anterior modelo,
perfilando adecuadamente los perfiles, para optimizar por tanto,
su eficiencia (no creando o disminuyendo la resistencia
inducida):
En este
caso, el aire que pasa por debajo el segundo perfil, también
tiende a separarse de él, con lo que la sustentación disminuye a
altos grados de incidencia; para corregir esto, utilizamos los
alerones de 3 elementos:
Extendiendo el razonamiento, obtenemos los de 4 elementos:
Como
curiosidad, fijarse que la última superficie, puede incluso
llegar a ángulos mayores de 90º...
Para
calcular y conocer cuál es el "CL" de cierto sistema de
alerones, podemos utilizar, bien un Túnel de Viento, incluso de
pequeñas dimensiones, bien la realidad colocándolo en el auto y
ensayándolo con la telemetría adecuada claro, o bien incluso,
que es la opción más sencilla y rápida, ensayándolo virtualmente
mediante un software especial de CFD.
Pantallas de extremidad:
Dado un alerón, hemos visto que sobre el extradós (diferencia de
presiones sobre la superficie), se produce una baja presión;
evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula
esta zona, se introduzca en ella, para aumentar la presión:
Esta
circulación de aire, hace que lo que se suponía que generaba
sustentación negativa (que era justamente esta depresión) o deja
de existir o disminuye drásticamente; para evitar tal efecto, se
colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que
impiden esta circulación no deseada de aire desde las zonas de
alta presión, hasta las zonas de baja presión. Algunos aviones,
suelen tener esta pantallas también sobre todo, si la
envergadura es corta.
Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de
tamaño, de esta pantallas, radica el truco; no es necesario que
el diseño de dichas placas sea cuadrado o rectangular, por
ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga más
falta su presencia, sean más grandes.
Flap
Gurney:
Existe un método "extra" para aumentar la sustentación de una
superficie; se trata del denominado Flap Gurney; se trata de una
placa de pequeñas dimensiones (1 cm más o menos) colocado
perpendicularmente al perfil; ello provoca, aproximadamente, un
20% más de sustentación; de todas formas, ello depende de
múltiples factores, y es necesario también, diseñarlo correcta y
adecuadamente con respecto al conjunto:
Este flap, hace que
el aire que pasa por el extradós, no se despegue antes de lo
debido, con lo que la sustentación aumenta, además de aumentar
por impacto directo del aire.
Inyección /
Succión de aire:
Supongamos una
superficie plana con cierto ángulo de incidencia con respecto al
sentido del movimiento; esta superficie, tendrá una determinada
fuerza de sustentación; si el ángulo es demasiado grande, la
sustentación decrecerá; para ello, ya lo vimos, el aire que
circula por el extradós, ha de permanecer adherido a la
superficie; una de las formas, que algunos aviones usan, es la
de succionar aire, a través de una serie de orificios:
Podemos de igual
forma, unir todos los orificios mediante una ranura de succión.
De forma análoga, podemos colocar unos orificios o ranura, en el
borde de ataque y sobre el intradós (parte interior o inferior
del alerón), de forma que se inyecte aire a gran velocidad; ello
retrasa la separación de la capa límite laminar a turbulenta,
con lo que la resistencia disminuye.
Otros métodos:
El tema de los
alerones, es un tema muy complicado, en el que existen diversas
soluciones, algunas muy curiosas; algunos aviones poseen trozos
de papel de lija colocados estratégicamente, sobre el ala, de
forma que la capa límite laminar se desprende más tarde de lo
debido o normal; algo parecido a los agujeros de una pelota de
golf; incluso, en algunos autos de competición poseen
recubrimientos (a modo de pintura por ejemplo), rugosos o al
menos, más rugosos de lo que se podría pensar; el objetivo puede
ser triple: retrasar la separación de la capa límite laminar,
mantener adherido el aire a la superficie o desacelerar cierto
flujo de aire; podemos colocar pintura “rugosa” sobre el
intradós de los alerones, por ejemplo....
Otro método que
podemos pensar, es inyectar aire a través del borde de fuga, con
un ángulo determinado, de forma que ayude a adherirse el aire
que circula por el extradós; este aire, puede ser recogido por
algún sistema colocado en los soportes del sistema de alerones.
Métodos hay muchos, pero es necesario estudiarlos en
profundidad; recordar simplemente, que la sustentación provoca
también resistencia....
Sujeción de un
alerón:
Hemos visto que dada
la peculiar forma de un alerón, la fuerza total de sustentación
(el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de
presión) y de resistencia (inseparables), provoca una fuerza de
rotación del alerón; es necesario tener en cuenta esta fuerza y
dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buen sistema de
anclaje de los alerones; de esta forma, nos evitamos problemas
de rotura por una mala fijación, y esfuerzos extras en los
mismos alerones, que también pueden desembocar en una rotura del
mismo.
Existen muchos tipos
de fijación de los alerones, tanto traseros como delanteros:
Diseño de un
alerón:
Para diseñar un
alerón, exclusivamente desde el punto de vista de la fuerza a
ejercer, hemos de tener en cuenta: “B” que es la distancia entre
el centro de presión del alerón trasero y el “CG” centro de
gravedad del coche, “a” la distancia entre el mismo “CG” y el
centro de presión del alerón delantero. Vamos a suponer que
ninguno otro componente del auto, cosa que no es así nunca, no
posee fuerza alguna de sustentación; supondremos además que la
fuerza de resistencia no afecta al diseño, cosa que tampoco es
real.
Conocer el centro de
presión, implica tener catalogado perfectamente el sistema de
alerones y conocer en profundidad, cómo actúa en función de la
velocidad, ángulo de incidencia, densidad del aire, etc. Sea
“FT” la down force ejercida por el alerón trasero y “FD” la
ejercida por el alerón delantero.
En un primer lugar,
para que la estabilidad en recta se mantenga, FT*B = FD*a .
Ambos productos han de ser iguales para conseguir el objetivo de
estabilidad.
Si por ejemplo
observamos que el auto tiene tendencia al sobreviraje (gira más
de lo debido) hemos de quitar peso a la popa o poner peso a la
proa (reducir la down force del alerón trasero o aumentar la
misma en el alerón delantero). Hacemos el caso contrario si el
auto posee una tendencia al subviraje. Notar que si hacemos
esto, la relación matemática anterior no se cumple....
En función de los
neumáticos elegidos, necesitaremos cierta down force para hacer
que los neumáticos traseros y delanteros tengan la suficiente
fuerza de agarre; esta down force vendrá generada por los
alerones. De esta forma, podemos variar “al máximo” y apurar los
pasos por curva, haciendo que el agarre sea máximo en curva para
reducir el tiempo de paso; lógicamente también, hay que tener en
cuenta el desgaste de los neumáticos, cosa que complica más.
Como podemos
imaginar, en curva las actuaciones del auto cambian, y hemos de
tener en cuenta todos los aspectos, no las simplificaciones o
suposiciones que hemos hecho, para diseñar unos alerones
adecuadamente; otro factor muy importante es la relación entre
el sistema de alerones de proa y el de popa; es necesario saber
si variamos o modificamos el alerón de proa, por ejemplo,
“cuánto” debemos modificar el de popa.
Campeonato 2005
de la F1
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Fernando Alonso (Renault) - GP de Bahrein 2005 |
Un hecho destacable de la pasada
temporada 2005 de la Fórmula 1, fue sin dudas, la supuesta
ilegalidad de los alerones de Renault, tema que pasó bastante
desapercibido en los medios de comunicación -y en la FIA que
nos los sancionó (a pesar de que después desclasificó al equipo
Honda por una también irregularidad en sus autos, en ese caso en
el tanque de combustible)- pero que molestó mucho a los
demás equipos del campeonato mundial.
La cuestión? Varias escuderías se
quejaban de la flexibilidad de los alerones que presentaban los
R-25, apuntando que el team Renault F1 -actual campeón de la
máxima- había incumplido las normas. Acusación que se
refería precisamente de la utilización en el GP de Bahrein de un
alerón trasero que se deformaba más de lo legal en las curvas,
lo que multiplicaba la adherencia al piso, y que volvía a su
estado normal en las rectas. De más esta decir que el español
Fernando Alonso -campeón 2005- fue el que ganó la
competencia.
Como consecuencia, tras la
disputa del GP de San Marino (24 de abril), la FIA aplicó
medidas para "tratar" de impedir la utilización de componentes
aerodinámicos muy deformables que mejoren las prestaciones de
los bólidos.
Lo que se viene
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El alerón CDG de la FIA para la Fórmula 1 |
La última novedad de la
Federación Internacional del Automóvil fue la presentación del
Alerón CDG ('Centreline Downwash Generating Wing'), desarrollado
con la ayuda de su socio tecnológico AMD, con el objetivo de
mejorar el rendimiento aerodinámico de los monoplazas cuando
intenten sobrepasar a sus rivales.
La idea de la FIA es aplicarlo en
la Máxima a partir del 2007 o a más tardar en el 2008 -junto
con otras nuevas normas-, pero por ahora no es muy bien
visto por los equipos.
MeCh
Fuente: Timoteo Briet Blanes
Archivo
PB
Fotos: Internet Contents / Sutton Images
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