Abstract:

Existe un fenómeno no muy conocido, que aprovecha el hecho de poseer todo coche de competición, un suelo como base; es posible diseñar este suelo de una forma adecuada, para que con una resistencia mínima, genere down-force; en su momento, ello se llamó “conseguir mucho por nada”o “energía gratuita”.

Introducción:

En todo coche, el aire circula tanto por la parte superior y alrededor, como por la parte inferior; por la parte inferior, la sección de paso, normalmente es pequeña en relación, obviamente, al resto; ello proporciona una serie de fuerzas y efectos que vamos a ver, y que aprovechadas de la forma óptima y más conveniente, pueden ser rentables para el coche en su conjunto.

En el caso de aeronaves, y todos lo hemos podido comprobar, que sobre todo en el aterrizaje pero también en el despegue, el avión “flota”; es como si cerca de suelo, “algo” impidiese al avión tocar suelo con seguridad; ello es debido al colchón de aire que se comprime, y que se encuentra por debajo de él. Coloquemos una hoja de papel sobre la mesa; soplemos por debajo de ella y veremos que es capaz de alcanzar mucha distancia, después de haber dejado de soplar.... todo ello, se debe a lo mismo: al efecto suelo.

Principio físico:

Todo se basa en el principio de Bernouilli que ya vimos; el aire, al pasar por una zona de menor sección, aumenta de velocidad, disminuyendo la presión en esa zona; ello provoca que la superficie en cuestión sea “succionada”.

Supongamos un coche cuyo suelo está sellado totalmente; dicho coche no tendrá fuerza significativa en sentido vertical (hacia arriba o hacia abajo) solo aquella debida a la forma del propio vehículo; si sellamos la popa del suelo únicamente, se generará una alta presión en la parte inferior, haciendo que el coche tenga mucha fuerza de sustentación, levantándose hacia arriba; si por el contrario, sellamos únicamente la proa, obtenemos el efecto contrario (deseado) que es el de generar down-force:

Hace algunos años, y por casualidad, se pudo experimentar este efecto y aprovecharlo; se aprovechaba colocando faldillas flexibles sobre los lados el automóvil por ejemplo; se puedo comprobar, después de algunos accidentes mortales, que era muy peligroso, puesto que si alguna de estas faldillas o accesorios se desprendían (simplemente por el paso sobre los pianos), el coche literalmente “volaba”; lógicamente, fueron prohibidos estos accesorios sellantes.

Tipos de suelo:

El típico suelo con el que nos encontramos en la mayoría de coches utilitarios, es el plano:

Para optimizar la circulación de aire y su depresión, y producir escasa resistencia por ejemplo, podemos suavizar el contorno del suelo del vehículo, tanto en la proa como en la popa (parecida a un difusor; en posteriores artículos analizaremos con detenimiento el difusor):

Por último y como optimización total, además, podemos inclinar el suelo con respecto al asfalto, de manera, que la abertura de entrada sea menor que la abertura de salida; de esta forma aumentamos la depresión que reina en el suelo, aumentando la down-force:

Es muy importante hacerlo así y no al revés, puesto que corremos el riesgo de hacer volar al coche, en el caso de un bache o algo parecido:

Si observamos un coche de Fórmula 1, la forma del suelo con la cual debemos de trabajar para estudiar su efecto suelo, es la sombreada en la siguiente figura, puesto que no todo el coche produce efecto suelo, obviamente:

En Fórmula 1, y según Normativa, no se permiten faldones ni nada parecido, y el suelo ha de ser totalmente plano, con una protuberancia central que recorre todo el suelo:

CFD:

Para poder calcular o diseñar un suelo y su efecto, y admitiendo que ha de ser totalmente plano, según todas las Normativas de prácticamente todas las categorías, hemos de tener en cuenta y determinar básicamente la distancia con respecto al asfalto y la inclinación con respecto al mismo; supongamos que trabajamos sobre este coche, y lo trasladamos a formato CAD (esto se denomina Ingeniería Inversa y es posible realizarlo mediante una serie de fotos desde diversos ángulos y posiciones):

A través de una simulación CFD, podemos calcular el campo de presiones por encima y por debajo del coche, obteniendo este tipo de gráficas:

Ahora, simulemos el mismo coche, con distintos ángulos de incidencia del suelo, y veamos el campo de presiones que existe en la parte inferior:

0º de inclinación:

1º de inclinación:

3º de inclinación:

Observamos que para 0º, las presiones negativas (en azul) (las que producen down-force”), son pequeñas; para 2º el resultado es mucho mejor, localizándose en la parte trasera fundamentalmente, al menos las menores; para 3º, la presión “baila y oscila” mucho, perdiéndose mucha down-force; ello es debido a que el aire que circula alrededor del coche y por los lados inferiores, intenta rellenar la depresión que origina el ángulo del suelo, introduciéndose literalmente en ella; ello provoca que no aumente en absoluto, sino todo lo contrario, la down-force.

Por tanto, observamos que los ángulos de incidencia de los que estamos hablando para el suelo, son de apenas 1º ó 2º, no mucho más. Evidentemente, una forma de impedir que el aire se introduzca en la depresión e impida una alta down-force e impida también que podamos alcanzar altos grados de incidencia, es justamente la colocación de las ya citadas faldillas...

Por tanto, observamos, que con métodos CFD, somos capaces de analizar y determinar todos los parámetros necesarios para calcular un buen efecto suelo; incluso podemos diseñar un efecto suelo, acorde para cada circuito...

Aumento de la fuerza del efecto suelo:

Para aumentar la down-force y aumentar el ángulo de incidencia del suelo, hemos de impedir el paso de aire a esa zona inferior de baja presión; para ello, utilizamos métodos aerodinámicos:

Sellado aerodinámico: se trata de generar un vórtice justo en la esquina o alrededores del suelo, de forma que este vórtice actúe de faldilla; se trata de generar un vórtice, por donde indicamos con línea roja:

Para ello, podemos colocar diversos artilugios; en el Dallara de Fórmula 3, utiliza un pequeño aletín en forma de aleta de tiburón:

Incluso, y a título de curiosidad, decir que en algunos coches de competición, aprovechan los propios alerones delanteros para generar estos vórtices “submarinos”, para aumentar espectacularmente la down-force generada por efecto suelo. Todo ello se puede calcular, obviamente, a partir de simulaciones CFD y a partir de telemetría o túnel de viento.

Cálculo:

Todo cálculo analítico de este fenómeno es complicado; pero podemos hacer un intento burdo, vaya.

Sea “1” la entrada y “2” la salida:

Sea “a1”, “a2”, “v1” y “v2”, las áreas y velocidades correspondientes; sea “L” la longitud del coche o suelo; sea “a” el ángulo que forma el suelo del coche con la carretera.

Aplicando Bernouilli entre ambos puntos, obtenemos:

Si queremos obtener una expresión para calcular la presión en cualquier intervalo del suelo, no hay más que integrar. Para calcular el centro de presión, podemos utilizar la telemetría, midiendo los desplazamientos de los amortiguadores en recta.

Telemetría para estudio:

Una de las cosas con las que hemos tenido que trabajar últimamente, es en la ausencia de métodos y sensores telemétricos de medida aptos para diseñar y calcular efectos suelo.... la telemetría actual de prácticamente casi todos los equipos, no disponen de sensores de presión; por esta razón, nosotros mismos, hemos tenido que diseñar, construir y adaptar, una conjunto de telemetría (e incluso con posibilidad de radio-telemetría) de 8 canales, para determinar 4 puntos de presión diferencial, la velocidad, las rpm, y los desplazamientos de los amortiguadores; se trata de un sistema independiente a cualquiera que funciona de forma autónoma; pudiendo descargar, visualizar y tratar todos los datos, a través de un software también de nuestra creación y a medida, lógicamente.

Con esta telemetría, podemos calcular y diseñar, cualquier sistema de efecto suelo, así como corroborar o validar los resultados conseguidos a través de simulaciones CFD.

Conclusiones:

En el próximo artículo, analizaremos algo que no se tiene demasiado en cuenta hoy en día, y que conviene saber, puesto que en competición, no hay nada, en principio, inútil, y que no cumpla una misión determinada, y seguro que importante: el Tuning aerodinámico.

Reseña sobre el autor: Timoteo Briet Blanes, Licenciado en Matemáticas y Doctor Ingeniero Industrial; Profesor Universitario de Mecánica de Fluidos y Aerodinámica; Especialidad en Simulación CFD y Aerodinámica; Gerente de "Turbulencia Engineering"; ha trabajado con diversos Equipos de Competición: Campeonato del Mundo de Motos de 125 y 250 cc, Fórmula 3, Fórmula GT, Renault Mégane Trophy, Diseño de Camiones y Autocares, Diseño de Cascos de Veleros para la Copa América de vela, Elementos Aerodinámicos de Automóviles, Cascos de Competición, Diseño de Aeronaves, Energías Eólica, Térmica y Mareomotriz, Aerodinámica Industrial, Diseño, Fabricación, Instalación y Puesta en Marcha de Túneles de Viento, etc. Posee diversas Patentes relativas al mundo de la Aerodinámica, así como numerosas Investigaciones al respecto.

 Timoteo Briet Blanes
Turbulencia Engineering