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)

El truco está en el fondo

El truco está en el fondo

Hace unos días os contábamos cómo funciona el sistema DRS, y qué eran la carga aerodinámica y el llamado “drag”. Pero, ¿y si os dijéramos que el elemento más importante para el rendimiento aerodinámico de un coche no son los alerones? Normalmente el sistema que más ayuda a un coche a ir pegado al asfalto pasa desapercibido: El fondo plano.

En cualquier monoplaza (y en general cualquier coche de competición) lo que nos llama más la atención suelen ser los grandes alerones y apéndices de extraña geometría que llevan encima para intentar arañar unas décimas al cronómetro en las curvas. Pero más de la mitad del rendimiento que pueda tener ese coche se lo da el propio suelo. El fondo plano genera un agarre enorme y, además, no nos causa resistencia al avance, así que los equipos invierten mucho dinero en mejorar este importante elemento.

Desde su implementación, los fondos y los difusores son una de las zonas más trabajadas en cualquier coche de competición.

A finales de los setenta llegó la revolución. Colin Chapman introdujo en el Lotus 78 el llamado efecto suelo. Montó en el coche un fondo con forma de ala invertida y unos faldones que casi tocaban el suelo, de forma que el flujo de aire pasaba por un canal casi perfecto por debajo del monoplaza, lo que hacía que triplicara la carga aerodinámica de sus rivales y obtuviera un rendimiento en curva brutal. Y todo eso, gracias al efecto Venturi.

El efecto Venturi, que está directamente relacionado con la ecuación de Bernoulli, nos enseña que la presión de un fluido disminuye a medida que éste aumenta su velocidad. Y de la misma forma, al reducir el área del canal por donde circula, este debe aumentar la velocidad. Y eso es justamente lo que pasa bajo los coches de competición. El aire entra debajo del coche y se acelera porque es un canal más estrecho. Al acelerarse reduce su presión y, por tanto, el coche se pega al suelo como una ventosa. Además, cómo no hay ninguna superficie que impida el paso del flujo de aire, no nos genera “drag”, así que no nos frena. El ahora prohibido efecto suelo es la forma de llevar este fenómeno al límite, pero tras el accidente de Gilles Villeneuve en 1982, la FIA acabó con este sistema porque los coches podían salir volando si el flujo de aire se hacia inestable bajo el coche por cualquier irregularidad.

El Lotus 78 diseñado por Colin Chapman. Los faldones casi rozaban el suelo, maximizando el efecto suelo.

En su lugar introdujo el fondo plano actual, del que os hablaremos más adelante, y se consolidó el uso de difusores al final de éste.
Todo para intentar limitar la ventaja que nos puede dar ese elemento, que pasa inadvertido para el ojo inexperto, pero que puede significar la diferencia entre ganar o perder. Y si no que se lo digan a Brawn GP.

Los difusores están presentes en la mayoría de categorías del automovilismo.  Foto: © Sergi Merino Navarro (elacelerador.com)

¿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.