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 diferencial central en los WRC actuales

El diferencial central en los WRC actuales

En David contra Goliat os contábamos como Audi, con su tracción Quattro, revolucionó el mundo del rally y cambió totalmente la idea de los fabricantes a la hora de diseñar un coche para esta modalidad. La introducción de la tracción integral hizo los coches mucho más rápidos en condiciones extremas o de baja adherencia, y por tanto, esta opción se acabó imponiendo sobre los coches de propulsión. La tracción integral supuso un reto enorme para la ingeniería. Si bien existían sistemas de tracción a las cuatro ruedas anteriores a la introducida por Audi en los ochenta, estos eran muy limitados, y nunca hubiesen funcionado a altas velocidades en un coche de competición. Es por eso que se tuvieron que encontrar soluciones para que el sistema funcionara, y se hizo en forma de diferenciales.

Un diferencial, básicamente, se encarga de transmitir y repartir la fuerza a un eje. En un coche de calle, por ejemplo de tracción delantera, el diferencial delantero se encarga de transmitir la fuerza del motor al eje motriz, pero también se encarga de repartirla en función de la situación, entregando más potencia a una rueda u otra dependiendo de cómo estemos girando el volante. Esto nos ayudará a girar y por tanto, alargará la vida útil de nuestros neumáticos.

Pero un diferencial suave, que nos ayude mucho en ese aspecto, también implica que en caso de que una de las ruedas pierda grip, por ejemplo por que pisa hierba, esta empiece a girar mucho más rápido que la otra, que está sobre asfalto, y por tanto se lleve toda la fuerza. Haciendo que el coche se quede trabado en la hierba al no tener suficiente tracción.

Los actuales WRC gozan de un paso por curva espectacular gracias a su tracción integral y aerodinámica depurada. © Jaanus Ree/Red Bull Content Pool

En cambio, un diferencial muy duro o bloqueado, hará que ambas ruedas del eje siempre giren a la misma velocidad. Eso nos dará mucha tracción, sí, pero también hará que suframos más en los giros, pues nos causará subviraje y un sobre-esfuerzo por parte de las ruedas. Y es por eso que es importante encontrar un buen equilibrio en el diferencial.

Pero cuando hablamos de la tracción integral la cosa se complica. Mucho. Al tener dos ejes motrices, necesitaremos un diferencial en cada eje que se encargue de repartir la potencia. Eso nos daría un coche cuya potencia se reparte en una relación 50:50 entre el eje delantero y el trasero, igualando la potencia que reciben ambas partes.

 

Esta relación es muy útil en eventos de tracción y es la más utilizada en los 4×4 de calle, pues todas las ruedas reciben la misma fuerza y nos permitirá salir de situaciones complicadas como nieve o barro. Pero es poco útil a la hora de hacer pivotar el coche y girar a gran velocidad, y esa capacidad es importante en las ratoneras carreteras de un rally. Y por eso se añadió un tercer diferencial.

Los diferenciales actuales combinados con la tracción integral permiten un gran comportamiento incluso en superficies resbaladizas. © Red Bull Content Pool

Este tercer elemento se encarga de repartir la potencia entre ambos ejes, lo que además de estabilizar el conjunto, permite una mayor agilidad del coche al no bloquear la relación de fuerza entre la parte delantera y trasera. La última evolución de ese aspecto en los rallyes, lo vimos con el cambio de reglamento del WRC en 2017, y desde entonces, ha demostrado sobradamente su efectividad.

Ese año, a parte de un reglamento aerodinámico más agresivo y más libertad en cuanto a la potencia, los modelos con normativa WRC para el Campeonato del Mundo de Rally, tuvieron que introducir un nuevo diferencial central activo. El sistema se basa en el diferencial autoblocante ya conocido, que es capaz de bloquearse o abrirse según la situación. El nuevo diferencial activo, tiene la capacidad de cerrarse o abrirse según los inputs que reciba del piloto y la situación que este esté negociando.

Así, como en el ejemplo del vídeo, en una curva cerrada el diferencial seguiría la siguiente secuencia: En la frenada el diferencial está totalmente cerrado para maximizar la estabilidad del coche, a medida que el piloto entra en la curva va levantando el freno a la vez que gira el volante. Eso va desbloqueando el diferencial, lo que permite un mejor giro.

A la vez permite desviar algo más de potencia a la parte trasera cuando el piloto empieza a dar gas, de esta forma el coche desliza ligeramente y pivota para encarar mejor un giro cerrado y encararse a la salida. Para salir de la curva, el piloto da gas a fondo, y eso vuelve a bloquear el diferencial. De esta forma la potencia se reparte de la forma más eficiente posible a todas las ruedas, y el coche tracción perfectamente para volver a ganar velocidad.

El sistema en sí es extremadamente complejo y supone un auténtico reto de ingeniería. Al introducirse en 2017, supuso que muchos pilotos tuvieran que adaptar su estilo de pilotaje. Si bien ya habíamos conocido los diferenciales centrales en anteriores épocas del campeonato, esta última evolución ha llevado a otra galaxia los coches del WRC. No en vano disfrutamos, durante estos años, de los coches más rápidos de la historia del Campeonato del Mundo de Rallyes.

La dieta de las carreras

La dieta de las carreras

En el mundo del automovilismo no solo se necesita potencia y aerodinámica para que un coche sea competitivo. En comparación, hay coches de calle mucho más potentes que los de carreras. Algunos superdeportivos, incluso coquetean con sistemas de aerodinámica activa que les otorgan grandes cifras de carga, pero aún así en los circuito no son rival para un coche de competición. Y eso es, entre otros factores, debido al peso.

En los modelos de calle, encontramos unos cómodos asientos, climatizador, radio y un sinfín de sistemas que hacen de nuestro coche un lugar en el que se está bastante a gusto. Pero en competición, no se trata de estar cómodo en un asiento de cuero, sino de ser rápido. Y para ser rápido hay que ser ligero, así que todas esas comodidades y lujos no son más que peso añadido que lastrará nuestro rendimiento.

Cuando uno sube a un coche de carreras, sea de la categoría que sea, lo primero que llama la atención es la sensación de “batalla” que desprende el habitáculo. Todo está pensado para luchar y solo está lo necesario. Lo que no sea esencial, fuera. Quizás la mayor comodidad de la que disfruten los pilotos sea el aire acondicionado, obligatorio en algunas categorías. Y una pequeña cantidad de bebida, a menudo demasiado caliente por las temperaturas a las que se llega en los habitáculos. ¿Y porqué reducir tanto el peso si suele haber una masa mínima reglamentaria a la que se debe llegar? Por que un coche más ligero significa mayor libertad en el reparto de masas.

Los equipos usan lastres de diferentes pesos para equilibrar el coche y llegar a la masa mínima. Pieza cedida por el equipo High Class Racing.  © Pablo López Castillo (elacelerador.com)

La forma en la que está repartida la masa en un cuerpo es importante, ya que define el centro de gravedad de este. Y un centro de gravedad más cerca del suelo se traduce en mayor estabilidad. Sobre esa premisa, los ingenieros trabajan para aligerar al máximo el peso del vehículo. Empleando materiales muy resistentes y ligeros, como aluminio, kevlar o la fibra de carbono, se intenta reducir al máximo la tara del coche para dejarla muy por debajo del peso mínimo.

Hacer un coche tan ligero permite tener un buen margen hasta el mínimo reglamentario, y este restante se añadirá en forma de lastres cuidadosamente repartidos por todo el chasis para mejorar su centro de gravedad, y por lo tanto, su estabilidad. Como ejemplo, tener 1 kg a 50 cm del suelo, hará que el coche bascule mucho más que si está a 10 cm del suelo, donde afectará mucho menos al comportamiento del coche en curva.

Las piezas de lastre usan materiales como el Tungsteno/Wolframio para que tengan un gran peso en poco volumen. © Pablo López Castillo (elacelerador.com)

En algunos certámenes, como el Campeonato del Mundo de Resistencia, el peso del vehículo se tiene en cuenta en el llamado “Balance of Performance”  (balance de prestaciones, en castellano), más conocido como BoP. Así se puede lastrar más o menos un coche, por parte de la organización, para igualar la competición entre vehículos de diferentes fabricantes. Unos pocos kilogramos de más harán un coche algo más lento, pero además supondrán un mayor gasto de gasolina, y en resistencia, la estrategia define al vencedor. Así que una parada más o menos para repostar, puede marcar la carrera.

Al final, un mayor peso se traduce en mayores fuerzas requeridas para acelerar, frenar o cambiar la dirección de un cuerpo. Así que un coche más ligero, aunque sea un poco menos potente, es en teoría una mejor opción para un mayor rendimiento en carrera. Por esa razón, los coches de carreras son sometidos a tan duras dietas, porque menos en la báscula significa más en la pista.

Los equipos miden hasta el gramo el peso del coche. En la imagen, lastres de 5 y 10 gramos. © Irene López Castillo

 

Agradecer a Miguel Nieto y a High Class Racing dejarnos usar uno de sus lastres para ilustrar este artículo.

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.

 

La magia del sistema Air Jack

La magia del sistema Air Jack

Es por todos sabido que las paradas son un elemento clave en el devenir de una carrera. Y cuanto menos tiempo se tenga el coche, mejor. Así que siempre se ha buscado la forma de facilitar el trabajo de los mecánicos para que se pierda el menor tiempo posible. Y para eso se inventaron los “Air Jack”.

Un Audi R8 suspendido sobre el sistema Air Jack en las Blancpain Series. Foto: © Sergi Merino Navarro (elacelerador.com)

Si hay que cambiar los neumáticos, es necesario levantar el coche del suelo para que el equipo pueda trabajar en las ruedas. Y aquí es donde los más avispados habrán notado una diferencia crucial entre, por ejemplo, la F1 y las carreras tipo GT. En el caso de las carreras de monoplazas, como la F1, estamos acostumbrados a ver a dos mecánicos con sendos gatos que levantan el coche mientras otros se encargan de las ruedas. Pero en el caso de las carreras de GT o prototipos, como pueden ser las de resistencia, los coches suelen pesar mucho más, casi todos por encima de los 1000 kg, así que sería difícil cargar todo ese peso entre dos mecánicos. Además, al ser coches carrozados dejan más espacio para introducir soluciones técnicas para lidiar con este tipo de problemas. Si alguna vez han visto una parada en boxes de este tipo de coches, verán que el vehículo se despega del suelo “solo”, sin que ningún mecánico empuñe una herramienta para tal propósito. Sin embargo, siempre puede verse un mecánico conectando una especie de cable al coche justo antes de que éste se levante. Este “cable” no es más que una manguera conectada a un sistema neumático (muchas veces unas simples bombonas presurizadas de aire).

En este caso la válvula donde se conecta el sistema está dentro de la “trompeta” al lado del escape. Foto: © Sergi Merino Navarro (elacelerador.com)

El sistema es más simple de lo que parece: Cuando el coche para, un mecánico conecta esta manguera a una válvula que lleva incorporada el coche y la presión del aire hace salir unos resortes del fondo del coche, así el peso del vehículo se apoya en esas patas y queda suspendido a unos centímetros del suelo. De esta forma, los mecánicos pueden trabajar en el coche cuando para durante la carrera e incluso en el garaje si el sistema se mantiene conectado.

Cuando el trabajo ha terminado solo hay que desconectar la bombona y la disminución de presión hace que las patas vuelvan a su sitio, así las ruedas vuelven al suelo y el coche está listo para rodar con normalidad. Es un sistema que añadiría demasiado peso a un monoplaza, pero en un coche carrozado es necesario y hace más cómodo trabajar para tener el coche listo en poco tiempo. Sólo un poco de aire presurizado, una manguera que manipula un único mecánico y unos sencillos resortes. Simple y brillante a la vez, ¿no les parece?

Este sistema permite a los mecánicos trabajar incluso dentro del garaje. Foto: © Pablo López Castillo (elacelerador.com)

 

Foto de portada: © Pablo López Castillo (elacelerador.com)