La nueva norma de F1 para el año 2021 trae cambios muy importantes que afectan entre otros, a la aerodinámica. Es conocido la aplicación del efecto suelo para ganar carga aerodinámica, el cual pasará a tener mucha más importancia.
En tres artículos vamos a explicar como funciona, primero los principios físicos teóricos, en el segundo veremos como se aplican y generan las fuerzas aerodinámicas del efecto suelo en los Fórmula 1 de hoy y en el tercero como se generaran en el 2021, incluyendo los potenciales puntos de fallo y puntos clave.
Vamos a comenzar dando algunas nociones de qué es y cómo funciona dicho efecto suelo. El efecto suelo viene por una aplicación del efecto Venturi, que se explica por el principio de Bernoulli y el de conservación de la masa. Dicho efecto consiste en que un fluido en movimiento dentro de un tubo cerrado al pasar por una zona de sección menor, aumenta su velocidad y disminuye la presión. Si se consigue un buen diseño del tubo se pueden lograr altas velocidades y bajas presiones.
No vamos a exponer las formulas por no hacerlo complejo, pero se basa en el principio de conservación de la energía. La variación total de energía y trabajo permanecen constantes a lo largo del tubo.
Es muy importante especificar que esto es así siempre que el fluido sea en régimen laminar (es decir sin turbulencias) y que no puede haber ni intercambio de energía ni de masa con el exterior.
En este gráfico tenemos un punto en posición 1, donde la sección del tubo es A1, con una presión P1 y V1. Al pasar a la posición 2 con sección A2 la velocidad V2 aumenta, disminuyendo P2. Cuando vuelve a al punto 3, donde la sección A3 es igual a la sección A1, la presión y la velocidad vuelven a ser las mismas. Veamos sobre un gráfico algunas detalles:
Como hemos dicho, un fluido en movimiento por un tubo al pasar de una sección mayor a una menor, aumenta la velocidad y disminuye la presión. Por lo tanto, cualquier punto entre el inicio y Xa tendrá una presión P1 y velocidad V1. Estos son los valores de mayor presión y menor velocidad. Entre el punto Xa y Xn La sección va reduciéndose con lo que la velocidad va aumentando hasta el punto donde esta es máxima, Xo y la presión mínima. Cada una de esas secciones el gas tiene una presión y una velocidad. Del mismo modo sucede entre Xo y Xb, la presión va aumentando y la velocidad reduciéndose. Esto es así para todo tipo de perfiles. Veamos diversos ejemplos.
Veamos unos conceptos sobre la presión
La presión es una magnitud que mide el reparto de la fuerza que se aplica sobre una superficie siempre de forma perpendicular a dicha superficie.
Si miramos la sección del tubo las fuerzas aplicadas sobre ella son perpendiculares a su superficie. Añadimos en el gráfico la vista axial.
En términos de medida de la presión, se toma como referencia la presión atmosférica, que es lógicamente una atmósfera. Se considera sobre presión a una presión superior a una atmósfera y depresión a un valor entre 0 y 1 atmósfera. La representación vectorial de las fuerzas se hace de forma que, si hay sobrepresión, el vector de fuerza toma un sentido, y el sentido contrario para la depresión.
En el gráfico representado arriba, suponemos que en todo caso hay sobrepresión, siendo mayor la sobrepresión en la sección inicial que la central. Por ello las fuerzas van hacia el exterior del tubo. Pero si partimos de una presión inicial igual a la atmosférica, podremos representar lo siguiente.
Al pasar a la zona de menor sección, la presión disminuye, se da una depresión y en vez de ejercer fuerza al exterior del tubo, ejerce fuerza hacia el interior.
Vamos a ver algunas aplicaciones de lo expuesto hasta ahora
La primera sale de forma natural. Tomemos el gráfico X anterior y veamos como tenemos la geometría de un vehículo similar a la del tubo estudiado.
Al cual le aplicamos los mismos principios y tendremos unas fuerzas aplicadas sobre él. Cuando está parado, no hay movimiento del aire sobre su contorno y por lo tanto la velocidad de las partículas de este gas es 0. No hay variación de la velocidad y no hay variación de la presión. La única presión es la atmosférica sobre todo el contorno del coche.
Pero cuando empieza a moverse, hay un movimiento relativo del vehículo con relación a las partículas de aire. Las partículas rodean el perfil del vehículo simulando lo anteriormente estudiado en el tubo. En la zona de curvatura se produce un efecto similar al estrechamiento, las partículas avanzan más rápido y la presión disminuye, ejerciendo unas fuerzas de succión. Estas fuerzas tienden a levantar el coche a alta velocidad y por ello pierde la carga necesaria en las curvas rápidas. Es parte de los efectos que hacen volar a un avión a gran velocidad.
Para compensarlo se añaden todo tipo de alerones y apéndices que generen carga vertical.
El problema de los alerones es que tienen un peso que no es necesario a bajas velocidades y generan drag o resistencia al avance. Pero se puede utilizar el mismo efecto en la parte inferior, el famoso efecto suelo. Esto se hace reproduciendo el perfil necesario para generar la carga en sentido contrario, en la parte baja del coche.
Generando así las fuerzas necesarias para contrarrestar las superiores. Con un estudio adecuado de la geometría se puede minimizar la fuerza superior y maximizar la inferior.
Pese a que la idea es llegar a un perfil de ala inverso, esto es imposible ya que hay que meter motor, piloto etc. Y para ello hay que recurrir a una forma como la superior para evitar drag , turbulencias que serían más perjudiciales etc.
Actualmente y por norma, el fondo de los F1 debe ser plano con lo que no es posible aplicar un perfil alar que permita disminuir la presión. Sin embargo, en la zona superior y para mejor avance se dan perfiles que favorecen la depresión y perdida de carga.
Veremos en el próximo articulo como conseguir el efecto suelo, pese a todo esto y al fondo plano.
