Introducción: 

En este artículo, vamos a estudiar 2 conceptos básicos, para desarrollar cualquier diseño de cualquier clase de automóvil; por un lado tenemos el estudio y análisis de las formas llamadas (mal llamadas) aerodinámicas, y por otro, tenemos el análisis y consecuencias de las fuerzas que crea el propio movimiento. Vayamos por partes.

Formas Aerodinámicas:

Habitualmente, atribuimos o definimos forma aerodinámica, a toda forma que penetra “bien” en el aire o incluso en el agua; literalmente, significa cualquier forma que se mueve en el aire; de ahí, que estemos mal-llamando a dichas formas; cuando definimos como tal cierta estructura, queremos decir que posee poca resistencia, o que tiene una forma puntiaguda, o qué sé yo.... en realidad, poca gente sabe con exactitud, porqué definen una estructura, como aerodinámica.

Evidentemente, y por lo ya mencionado, existen infinitas formas aerodinámicas, pero algunas de ellas, tiene la particularidad o característica de tener poca resistencia o poseer una capacidad de tener sustentación, por ejemplo, muy alta, en comparación con el resto. Veamos estos 2 aspectos, sin cuantificar, de momento, nada:

- Formas con baja resistencia:

Supongamos que necesitamos diseñar una superficie que posea una baja resistencia; la forma ideal sería aquella cuyo perfil sea más romo o grueso en la parte de proa y más puntiaguda en la zona de popa.

Esto es algo que normalmente no se tiene, al menos, demasiado claro; mucha gente piensa que el hecho de querer o necesitar atravesar un fluido (en nuestro caso aire), implica una superficie frontal puntiaguda, y ello, es falso; es necesario tener en cuenta también otros aspectos, tales como la resistencia, y otros, que más tarde veremos.

La pregunta, ahora, es lógica: definiendo la anchura de perfil anterior como cuerda, y el espesor o altura, como espesor, cuál es la relación óptima entre ambas, para que la resistencia sea mínima?
La respuesta depende de múltiples factores: densidad o parámetros generales del aire, velocidad, dimensiones de nuestro problema, etc. Pero podemos decir que una relación cuerda/espesor de 3, es muy buena, en cuestión, exclusivamente, de resistencia; de todas formas, recordar que estamos tratando infinidad de aspectos, en el diseño global de un automóvil.

En la siguiente imagen, observamos algo muy curioso: el círculo de arriba, que en 3 dimensiones podría ser una barra o un cable gordo, posee la misma resistencia que todo el perfil de la parte inferior.

Podemos observar en los coches de Fórmula 1, como se carenan las barras de amortiguación por ejemplo, de forma, que se reduce la resistencia de forma drástica:

Existen muchos coches, en los que se ha aplicado esta característica, para disminuir la resistencia:

El primer perfil de la figura anterior, posee 4 veces menos resistencia que el segundo, y 10 veces menos resistencia, que un coche normal (tercera figura).

Este coche, poseía una muy baja resistencia aerodinámica, cuya forma en planta, correspondía a un perfil característico:

- Formas con alta sustentación:

En un principio, vienen determinadas y cuantificadas por el principio de Bernouilli que ya vimos en un artículo anterior. La diferencia de presiones sobre la superficie (extradós) y la interior o inferior (intradós), genera la fuerza de sustentación:

Esto ocurre, si el aire que circula por el extradós, está ”pegado” a él (efecto Coanda visto en un artículo anterior); si el ángulo de incidencia aumenta, la sustentación, como veremos posteriormente, aumenta; pero si el ángulo de incidencia, con respecto al sentido del movimiento o flujo de aire, es excesivo, el aire se “despega” del extradós, no aumentando la sustentación, sino reduciéndose drásticamente; por tanto es necesario conocer esté ángulo límite y las consecuencias que ello tiene; evidentemente, existen métodos para poder aumentar de manera considerable el ángulo de incidencia (para aumentar la sustentación), tales como estructuras de varias superficies perfiladas o inyectores o “succionadores” de aire; esto se aplica a alerones de proa y popa o incluso a alas de aeronaves e incluso, a barcos de competición, como veremos en artículos monográficos más adelante.
Por ello mismo, todas las gráficas que relacionan la fuerza de sustentación con el ángulo de incidencia, son del siguiente tipo:

En el caso del diseño de coches de competición, se denomina “Down Force” o fuerza descendente, a la sustentación en sentido vertical y hacia abajo, que es la responsable de aumentar la adherencia de los neumáticos con el asfalto, y con ello por ejemplo, una disminución del tiempo de paso por curva.

Algunas partes, como los pontones de refrigeración, de los coches de Fórmula 1 e incluso ellos mismos, vistos en perfil, poseen figuras en sí mismas con alta Down Force y baja resistencia. Las formas que mal-denominamos aerodinámicos, se aplican, como veremos, de forma muy extendida en coches de competición.

Por otro lado, existe otra fuerza de resistencia, que se denomina fuerza de resistencia inducida; se denomina así, pues es la resistencia que genera la fuerza de sustentación (inducida por otra fuerza); de ahí, que ambas fuerzas, sean dependientes entre sí, y a su vez, lo sean, de otros factores, como veremos.

Fuerzas Aerodinámicas:

Existen básicamente, 3 fuerzas: la fuerza de sustentación, la de resistencia y momentos en general; éstos últimos, se definen como el producto de la distancia del punto de aplicación de determinada fuerza al centro de gravedad de la estructura, por la propia fuerza ejercida sobre dicho punto.
Vamos a hacer hincapié, analizar y cuantificar (ahora sí), las 2 primeras.

Sustentación / Resistencia:

La cuantificación de la fuerza de sustentación, se realiza a través de la siguiente expresión: sea "V" la velocidad (m/s), "d" la densidad (Kg/m3), "A" el área y "CL" el coeficiente de sustentación; sea "L" la fuerza de sustentación:

El resultado se mide en Newtons, como todas las fuerzas; para obtener kilos como unidades (es más ilustrativo) hay que dividir esa cantidad entre la aceleración de la gravedad, en el punto donde se realice el cálculo (9.8 m/s2 al nivel del mar; a más altura, la aceleración de la gravedad "g" disminuye).
La cuantificación de la fuerza de resistencia, se realiza a través de la siguiente expresión: sea "V" la velocidad (m/s), "d" la densidad (Kg/m3), "A" el área y "CD" el coeficiente de resistencia; sea "D" la fuerza de resistencia:

Todas las unidades de medida son las mismas que para la fuerza de sustentación.
Analizemos, aunque sea por encima, dichas expresiones:

En primer lugar, observamos que ambas fuerzas dependen de varios factores o parámetros (la velocidad y el área, son conocidos):

à Densidad; la densidad del aire, varía en función de la altura con especto al nivel del mar, la presión atmosférica, la humedad y la temperatura, principalmente; es necesario tener en cuenta todos esos parámetros o variables, para cuantificar adecuadamente la densidad del aire.

Podemos utilizar esta expresión sencilla para calcular la densidad del aire en Kg/m3 , la "P" es la presión atmosférica en milibares, y la temperatura "T" se mide en grados Celsius.

El "CL" y "CD"; este coeficiente marca el grado de eficiencia que el perfil posee, en cuanto a sustentación o resistencia, respectivamente. Dado un perfil, en función del ángulo de incidencia, tendremos una gráfica para dichos coeficientes; estas gráficas son particulares e intransferibles y son claves, evidentemente, para calcular cualquier fuerza; hay que tener en cuenta algo importante: es una "bobada" y absurdo, querer tener una buena precisión o fiabilidad de la medida por ejemplo de los coeficientes "CL" o "CD", si sabemos que estamos cometiendo errores en la determinación de la velocidad; parece de perogrullo y lo es...., pero es algo, que muchos diseñadores no tienen en cuenta.

¿ Porqué son importantes estas 2 fuerzas?:

- Sustentación: la Down Force es la responsable de la adherencia de los neumáticos, así como en la reducción del tiempo de paso por curva.

- Resistencia: reduciéndola, se consigue aumentar la velocidad. Hay que recordar que ambas fuerzas son dependientes, y esta dependencia, hay que tenerla en cuanta siempre: si se aumenta la down force, se aumenta la resistencia, por ejemplo.

En otros artículos, veremos con todo detalle, cada fuerza por separado:

- Down force o sustentación (alerones, chasis, efecto suelo, difusor, etc....).
- Resistencia: reducción de la misma, reducción del tiempo por paso por curva, etc.

A medida que avancemos en esta serie técnica, y vayan saliendo parámetros cuantificables, daremos sus expresiones matemáticas para ello. En aerodinámica y en diseño en general, la cuantificación es algo más que esencial; mirar, observar, pensar, meditar, analizar o imaginar, quizás sean parte también de todo diseño, pero no todo.

Conclusiones:

Hemos conocido las diferentes fuerzas que intervienen en la dinámica de todo coche de competición; de igual forma, conocemos y sabemos cuantificarlas. En el próximo artículo, vamos a tratar exclusivamente, el tema de la reducción de la resistencia aerodinámica (aumento de la velocidad; en competición, esto es básico).

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