La angulación de un coche o Rake

La angulación de un coche o Rake

La Fórmula 1 es un deporte en que cada centésima cuenta, y los equipos buscan recortar tiempo al cronómetro de mil formas. Para ello, usan la ingeniería para doblegar la física a su favor. En esta ocasión hablaremos sobre cómo las escuderías tienden a inclinar los coches para generar un ángulo entre los dos ejes del coche y el suelo. Lo que se conoce en inglés como “rake”.

Como ya os contábamos en otros artículos, la carrocería de un F1 genera una parte importante de la carga aerodinámica encargada de pegar el coche al asfalto pero, a la vez, puede generar resistencia al avance o ”drag». Una configuración agresiva en los alerones nos hará ganar carga, pero también nos generará ese temido “drag”, que acabará penalizando nuestro tiempo en las zonas de más velocidad.

Lo ideal para evitar este fenómeno sería disponer de un sistema de aerodinámica activa como la que equipan muchos de los superdeportivos de calle actuales, pero el reglamento actual prohíbe el uso de superficies móviles a excepción tan solo del DRS. Por tanto, se debe jugar con otros aspectos del monoplaza para intentar equilibrar la relación carga-resistencia de un coche.

El ángulo entre el fondo plano del coche y el suelo, es el que llamamos «rake».

Para tal propósito algunos equipos levantan el coche de la parte trasera, con una suspensión algo más alta y blanda para que se forme un ángulo de unos pocos grados entre el coche y el suelo. Ese ángulo es el “rake” y funciona como un muelle que hace variar la aerodinámica del coche según su velocidad. Una suerte de truco de magia, que se sirve de la fuerza del aire que choca contra el coche. Así, toda su carrocería actúa como un ala inteligente que se mueve siguiendo la velocidad del coche y genera más o menos carga en función de esta.

En las zonas más lentas y reviradas, el flujo de aire que circula por encima del coche es más pequeño. Por tanto, un coche con la parte de atrás más elevada y los alerones más inclinados, hará que se genere más carga y por tanto mejor agarre. Lo que en zonas de curvas, nos dará ventaja. Sin embargo esa configuración trasera más elevada puede generar demasiado «drag» en las zonas rápidas, donde el flujo de aire es mucho mayor.

En esta imagen se aprecia como el Red Bull tiene el fondo plano muy inclinado hacia adelante.

Para contrarrestar ese aspecto, se puede equipar una suspensión trasera un poco más blanda de lo normal. Si bien esto podría suponer algo menos de estabilidad en curva, esta queda compensada con el extra de carga que genera una parte trasera alta. Pero una suspensión blanda, además, hará que el coche sea más susceptible a los cambios de presión. De esta forma en las zonas rápidas y con un flujo de aire mayor, la presión sobre la parte trasera también será más alta. Esto hará que la suspensión trasera se comprima y el coche baje. Así, los alerones quedarán algo más planos y el drag será menor.

Este sistema, pues, permite que el coche se comporte diferente según la zona del circuito para mejorar así su rendimiento. Algunos equipos lo usan más que otros, dependiendo de la eficiencia general de su paquete aerodinámico o motor. Siendo, por ejemplo, Red Bull uno de los equipos más agresivos con el «rake», mientras que Mercedes, con un motor más potente y una eficiencia aerodinámica suficiente, puede permitirse un coche más plano. Que les dotará de más de estabilidad al poder llevar una suspensión más dura y con más respuesta en curva.

Otros equipos optan por configuraciones mucho más planas y neutras.

El equilibrio entre ambas configuraciones es difícil de encontrar y fuerza a las diferentes escuderías a tener que elegir entre suspensiones más rígidas y estables o angulaciones más altas y más carga. Es por este y muchos otros factores que algunos circuitos se adaptan más a unos coche u otros y las diferencias entre los equipos se ajustan más o menos. La igualdad, en este caso, queda en manos de los ingenieros.

El «S-Duct» o conducto S

El «S-Duct» o conducto S

La aerodinámica de un Fórmula 1 es extremadamente difícil de comprender al detalle, incluso para los que llevan toda la vida trabajando en ello. A veces las leyes de la física con las que juegan los ingenieros son caprichosas, y no se dejan doblegar fácilmente. Si bien se estudian todos y cada uno de los detalles de un monoplaza para hacerlo eficiente, el diseño de alguna de las partes puede comprometer el rendimiento de otra. Como ejemplo, el diseño del morro determina el rendimiento del fondo plano, pero incluso el mejor de los alerones delanteros puede comprometer el flujo bajo el coche. Y para eso se desarrolló hace tiempo una ingeniosa solución: el llamado «S-Duct».

El suelo del coche es el encargado de generar la mayor parte de la carga aerodinámica, y lo hace debido a la disminución de presión que se produce al acelerar el flujo de aire que circula entre el fondo plano y el suelo. Así que el alerón delantero también se diseña pensando en dirigir el flujo correcto de aire hacia debajo del coche. Aún así, cuando el aire sale del alerón se produce una zona de alta presión bajo el puente del morro que frena el flujo antes de meterse debajo del coche. Esa pequeña turbulencia supone una pérdida de calidad del flujo que circula por el fondo plano, lo que resta carga aerodinámica y por tanto eficiencia.

Para evitar este aumento de presión bajo el coche, se implementó el conducto S, o «S-Duct» en inglés. Se trata de un conducto que discurre por dentro del morro del coche y que dibuja un trazado en forma de S a medida que asciende por el interior de este. Este sistema permite que una parte del aire que se acumula detrás del alerón delantero suba por él y salga por encima del morro justo delante del piloto. De esta forma libera parte de la presión y el flujo que discurre por el fondo plano lo hace de una manera más limpia.

La salida superior del conducto S crea una lámina de aire que ayuda a pegar el flujo que proviene del morro. © Sergi Merino Navarro (elacelerador.com)

Además, el aire que sale por la parte de arriba del morro se acelera y crea un flujo laminar que evita que el aire se despegue del monoplaza debido a la curvatura del morro. Así pues, este sencillo conducto actúa como una especie de igualador de presiones entre la parte superior e inferior de la mitad delantera del monoplaza para que estas no afecten al rendimiento de la zona media y trasera del paquete.

No hay que confundir este conducto con el polémico «F-Duct» que introdujo McLaren, con el nombre de RW-80, en su coche para la temporada 2010. Este sistema, mucho más compleja consistia en un sistema de conductos en forma de «F» que hacía que los monoplazas de woking destacaran en velocidad punta por su ventaja aerodinámica. El piloto, en las rectas, podía tapar un agujero con la pierna que dirigía aire al cockpit, de esta forma todo el flujo se desviaba por otro conducto hacia el alerón trasero. El aire soplado creaba una turbulencia que anulaba la carga aerodinámica del alerón y por tanto el «drag». Así los pilotos podían exprimir el coche al máximo en las rectas y alcanzar mayores velocidades puntas.

La entrada del «F-Duct» con el que McLaren sorprendió en 2010.

El conducto F fue prohibido por la FIA al año siguiente. Sin embargo, el «S-Duct» ha sobrevivido hasta los monoplazas actuales aunque haya sido objeto de estudio por parte de la Federación Internacional en varias ocasiones. Se trata de un sistema común en la mayoria de los coches de la parrilla, si bien los equipos no lo usan en la totalidad de las carreras. No hay que olvidar que además de una función aerodinámica ayuda a la refrigeración del piloto, así que es fácil verlo aparecer en las carreras más calurosas del calendario.

Foto de portada: © Sergi Merino Navarro (elacelerador.com)

 

 

El Efecto Coanda y la magia de las curvas

El Efecto Coanda y la magia de las curvas

En los coches de competición actuales, las leyes de la física son puestas a prueba para ser cada vez más rápidos. Ya os hemos hablado en artículos anteriores, como «Alerones para 2019: Qué es el “outwash” y por qué no acaba de gustarnos» y «El truco está en el fondo«, sobre la aerodinámica para hacerla un poco más accesible. Y hoy os hablaremos sobre uno de los fenómenos que hace todo esto posible: el efecto Coanda.

Tomaremos como ejemplo los F1 actuales. Todo su diseño incluyendo alas, fondo plano, difusor, aletines y, en general, cualquier parte de la carrocería forma parte de un conjunto que sólo funciona cuando todas las piezas lo hacen. Si nos fijamos en la carrocería de uno de estos coches nos daremos cuenta de que es muy difícil encontrar un superficie plana o angular, y de que su perfil tiende a dibujar sutiles curvas. Pues bien, cada una de esas curvas ha sido diseñada para mejorar el rendimiento al máximo.

La carrocería de un Formula 1 dibuja curvas sutiles, todas ellas estudiadas y probadas.

Todas esas curvas están pensadas para favorecer a un fenómeno que se explica gracias, otra vez, a la ecuación de Bernoulli, que ya os explicamos anteriormente. Esta dice, básicamente, que un fluido disminuirá su presión a medida que se acelere. Debido a eso, ante un flujo de aire constante, la parte del fluido que esté en contacto con una superficie lisa y paralela a este tendrá tendencia a pegarse a ese plano, porque ganará velocidad y por tanto perderá algo de presión. Si curvamos ligeramente esta superficie, podremos incluso dirigir el aire a nuestro antojo para que incida, por ejemplo, en un alerón. Este fenómeno es conocido como efecto Coanda.

Las curvas en la carrocería también predominan en otras categorías.

Si vemos un monoplaza desde arriba notaremos que, desde sus pontones laterales hasta la parte del escape, este describe una forma parecida a una gota de agua, que sería la forma ideal para favorecer este efecto sin generar demasiado «drag». Cuando el aire choca contra nuestro coche, se genera un flujo turbulento por la incidencia del alerón delantero. Este está pensado para “apartar” el aire y así minimizar el efecto que puedan tener las ruedas, llevando una parte hacia abajo para que el fondo plano cumpla con su cometido. Después de esto, el aire es recogido con aletines situados más atrás, para que vuelva a fluir sobre nuestra carrocería y poder redirigirlo mediante ligeras curvas a donde pueda ser útil para pegar el coche al suelo.

El efecto Coanda explica porqué la forma de los coches parece que fluya hacia la parte posterior: porque igual que estas formas el aire se moverá de una forma controlada para producir esa magia invisible, que es la aerodinámica, y que puede suponer la diferencia entre encontrar un impedimento y conseguir una ventaja. Y todo eso gracias a la magia de las curvas.

El coche se va estrechando hacia el escape para redirigir el aire a su parte trasera.

 

¿Cómo funciona el DRS?

¿Cómo funciona el DRS?

Se habla mucho de él en cada retransmisión de Fórmula 1 y todos sabemos que está pensado para dar cierta ventaja a un coche que va a realizar un adelantamiento. Pero, ¿qué es y como funciona el DRS?

Para entender el DRS antes debemos saber que los coches de Fórmula 1 son tan rápidos en circuito porque pueden trazar las curvas a muy alta velocidad. En recta, hay coches que pueden alcanzar velocidades más altas, pero lo que realmente hace de estos monoplazas los más radicales del mundo, es la capacidad de coger las curvas a mayor velocidad que nadie. Y eso es gracias a la carga aerodinámica.

En este adelantamiento apreciamos que el alerón del Red Bull está abierto.

Eso es posible gracias a que estos coches están diseñados para aprovechar el aire que fluye por su carrocería. Cuando este aire pasa a gran velocidad por encima (o debajo) del coche este se canaliza de forma controlada para que genere una fuerza vertical contra el suelo que enganche el coche al suelo. Esto permite ir más rápido en curva, sí, pero nos quita velocidad en las rectas, porque el aire choca con los alerones y frena el coche. Este fenómeno de resistencia al aire se conoce como “Drag”. La mayor preocupación de los ingenieros es conseguir suficiente carga sin que frene demasiado el coche, eso es todo un desafío y, a veces tan solo un milímetro más o menos de alerón puede significar la diferencia entre un coche rápido y un coche incapaz de correr los suficiente en las rectas.

Comparativa entre el DRS abierto y el DRS cerrado.

El DRS o “drag reduction system” es un sistema de reducción de carga aerodinámica del que dispone el piloto para ganar un extra de velocidad para adelantar. Se trata de un alerón móvil situado en el ala trasera de los Fórmula 1 que se abre para dejar pasar aire a través de él y se genere menos “drag”, lo que nos permite que una mayor velocidad punta.

Este sistema entró en vigor en 2011 para potenciar los adelantamientos en la categoría reina y es la única pieza móvil que permite el reglamento en la carrocería de estos coches. Sólo puede activarse en las zonas delimitadas y, en carrera, cuando nuestro coche esté a menos de un segundo del coche que le precede, que no podrá activarlo para defenderse a menos que tenga otro coche delante que le habilite para hacerlo.

Los alerones de un F1 generan entorno al 40% de la carga del coche, así que abrir parte de uno de los alerones nos da una ventaja significativa a la hora de conseguir una velocidad más alta. Se calcula que este dispositivo puede dotar de hasta 15km/h más de velocidad al final de recta para nuestro coche lo que nos facilitaría un adelantamiento. Nuestro alerón se cerrará una vez el piloto frene o pulse el botón desde el volante, recuperando toda nuestra carga para afrontar la siguiente curva.

En la curva el alerón permanece cerrado para mantener la máxima carga aerodinámica.

¿Qué son los escapes soplados?

¿Qué son los escapes soplados?

En esta temporada 2018 ha vuelto a aparecer un fantasma del pasado de la categoría reina. Uno de esos conceptos que los ingenieros se sacan de la manga para engañar a la física y mejorar todavía más su coche. Hablamos de los escapes soplados, de los que tanto se habló en el pasado durante la era Red Bull. En los test de pretemporada vimos como Renault había inclinado su escape unos 5 grados hacia arriba para que los gases incidieran sobre el alerón trasero creando así una diferencia de presión que mejorara la carga aerodinámica sobre la parte posterior del coche. Eso llamó la atención de los otros equipos y, tras una investigación por parte de la FIA se demostró que esa modificación entraba en el reglamento y por tanto el equipo francés podía seguir usándolo.

Sin embargo las alarmas saltaron en el GP de China cuando se abrió una investigación sobre Ferrari por una situación parecida aunque diferente a la vez. Parece ser que unos sonidos en las curvas lentas del circuito chino hizo sospechar que la Scuderia estaba usando un viejo truco que se inventaron desde el equipo Red Bull Racing con su RB7 en un ya lejano 2010.

Los equipos suelen dirigir los gases de escape para mejorar su rendimiento aerodinámico.

 

Los gases que salen del escape de un Fórmula 1 salen a gran velocidad y temperatura asi que si puedes aprovechar estos factores para generar mas carga en la parte trasera de tu monoplaza esto te dará una ventaja, y eso es lo que hace Renault con esa pequeña inclinación en su escape. Pero eso solo funciona cuando el motor está empujando. Y aquí aparece la mente de ingeniero: ¿y si pudieras conseguir que esos gases siguieran soplando aunque tu motor no estuviera empujando? Eso te daría una ventaja aún mayor, por que te daría ese flujo sobre el alerón trasero incluso en curvas muy lentas en las que el motor no está trabajando.

El equipo Red Bull experimentando con la aerodinámica de la parte trasera de su coche en 2010.

 

Ese concepto es el que introdujo el equipo de la bebida energética mediante un mapa motor que hacía que el escape siguiera soplando (de aquí el nombre de este concepto) aunque el motor no estuviera acelerando. Esta solución representó una ventaja tan grande para su coche que la FIA acabó prohibiendo estos mapas de motor a partir de 2011.

Por tanto lo que prohíbe el reglamento no es que se puedan aprovechar los gases de escape para un mejor rendimiento aerodinámico,como el concepto de Renault para esta temporada, sino el uso de mapas motor que generen un soplado artificial y constante como se sospechaba que podía estar usando Ferrari.

Tras la investigación de la FIA en China, no se tomó ninguna medida por lo que podríamos descartar que esta triquiñuela hubiera reaparecido en la Fórmula 1 moderna. Pero nos ha servido para explicar otro de los ases que se han sacado de la manga los equipos a lo largo de los años para intentar llevar su máquina un pasito más allá que el resto de la parrilla.