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AERODINÁMICA: Qué es y para qué sirve

aerodinámica

Hace muchos años, un gran hombre dijo “la aerodinámica es para fracasados que no saben hacer motores”… Ese gran hombre fue Enzo Ferrari, fundador de la mítica marca italiana.

Sin embargo, con el paso de los años, la evidencia de que se equivocaba y de que la aerodinámica es tremendamente importante para los automóviles de competición es apabullante.

Por tanto, siendo tan importante la aerodinámica en el mundo del motorsport y la Fórmula 1, quiero que, con este artículo, todo el mundo pueda entender los conceptos básicos de la aerodinámica.

Se empezará desde cero, no será necesario tener conocimientos previos de ningún tipo. Aunque si eres un gran aficionado a la F1, probablemente te suenen muchos de los conceptos que se traten.

En cualquier caso, no hará falta hacer repasos sobre cosas que alguna vez se leyeron y ya se han olvidado, ni tener Google abierto para comprender lo que se comente (al menos, ésa es la intención).

Para tratar de hacerlo lo más claro posible, iremos viendo cada concepto por separado y viendo qué relación tienen entre sí.

 

El aire “pesa”

Dicho así, puede parecer algo obvio, pero muchas veces se nos olvida o no lo tenemos en cuenta por estar siempre rodeados de él.

Sin embargo, el aire ejerce una presión sobre cualquier objeto que se encuentre rodeado de él. Igual que, cuando buceamos, notamos que el agua nos “presiona”, solo que la presión del aire es 1000 veces menor que la del agua. Pero en conceptos de ingeniería y automovilismo, es una presión que no se puede despreciar, ya que juega un papel crucial para la aerodinámica.

Esta presión que ejerce tanto el aire como el agua (dependiendo de si se está por la calle o dentro de una piscina buceando) no solo se ejerce hacia abajo, como se podría pensar, sino que se ejerce sobre toda la superficie y con dirección hacia el centro del cuerpo:

*El círculo turquesa representa el cuerpo que está rodeado de aire, que puede tener cualquier forma, incluso puede ser un F1. Las flechas anaranjadas indican la presión del aire sobre ese cuerpo.

Lo que hace que nos vayamos hacia abajo es la gravedad -que ahora mismo no nos interesa demasiado-, no la presión del aire; eso es algo importante que hay que tener claro.

 

Dependencia presión-velocidad del aire en la aerodinámica

Sin entrar en detalles del porqué de esta relación, es importante que tengamos en cuenta que, cuando aumenta la velocidad del aire que está en contacto con el vehículo, disminuye la presión que ejerce el aire sobre el vehículo.

Esto puede ser un poco complicado de entender, ya que lo primero que se viene a la cabeza al leerlo es: ¡Pero si el aire está quieto, es el coche el que se mueve y el que aumenta la velocidad! Esto es totalmente cierto, es el coche el que va con cierta velocidad atravesando el aire, pero ¿y si nos ponemos en el lugar del coche? Sería como cuando estamos de viaje con nuestro coche: si miramos por la ventana, vemos que es todo el paisaje el que se mueve y que el coche está quieto.

Sucede lo mismo cuando analizamos el aire que entra en contacto con el coche, darle la vuelta a la situación: es el coche el que está quieto y es el aire el que va contra él. De hecho, esto es lo que se utiliza en los ensayos de túnel de viento; el coche está quieto dentro y, con unos enormes ventiladores, se proyecta aire sobre él para ver cómo se comporta el aire a su alrededor.

Esto es así porque lo que interesa realmente es la velocidad relativa del aire y del vehículo: la diferencia que hay entre ambas. Es decir, el resultado de todo el análisis es el mismo, ya sea el coche el que va contra el aire, o sea el aire el que va contra el coche.

 

Qué es la carga aerodinámica

Como vimos en la primera ilustración, el aire ejerce su presión en todas las direcciones sobre un cuerpo que esté rodeado de él, que bien podría ser un coche de Fórmula 1.

Sin embargo, luego vimos que esa presión depende de la velocidad (disminuyendo la presión según aumenta la velocidad). Entonces ¿qué ocurre si el aire pasa más rápido por una parte del coche de F1 que por otra? Pues esto, señoras y señores, es lo fundamental en la carga aerodinámica: por donde el aire pase más rápido, será donde menor presión ejerza sobre el coche.

De tal forma que, si el aire va más rápido por la parte de abajo que por la parte de arriba (efecto suelo), en la parte de arriba habrá más presión que en la parte de abajo. Dicho así, le puede parecer a alguno que todo ha salido al revés, que el coche va a volar por haber más presión en la parte de arriba. Pero no es así, porque como vemos de nuevo en la primera ilustración, la presión de la parte de arriba se ejerce hacia abajo, lo que hace que el coche se “pegue” más al asfalto.

Este efecto de que el coche se “pegue” más al asfalto es lo que se conoce como carga aerodinámica, y se consigue gracias al minucioso estudio de los alerones, el efecto suelo, el difusor, etc.

Teniendo ese concepto claro, además podemos entender fácilmente por qué el coche es totalmente simétrico (y no solo por estética). Ya que, si la parte derecha fuese distinta a la izquierda, el aire haría más presión sobre una de las dos partes, algo que no interesa en absoluto para poder mantener el control del coche en todo momento.

 

Efecto Coanda

Sabiendo que para optimizar la aerodinámica interesa que el aire esté “pegado” al coche en cada parte de él, aunque en unas partes vaya más rápido que en otras, la siguiente duda que puede surgir es: ¿cómo es posible que el aire siga “pegado” al coche en cada parte de él? Y esto es gracias a lo que se conoce como efecto Coanda.

Este efecto simplemente consiste en que el aire (y cualquier fluido, ya sea gas o líquido) tiende a no separarse de un cuerpo sólido. Solo se separará si hay un cambio brusco en la superficie del cuerpo o si hay aristas. De modo que, la forma aerodinámica ideal de un cuerpo para que el aire no se separe de él sería la de “lágrima”, que es a la tienden que los coches de Fórmula 1:

aerdonámica

 

Lo bueno del efecto Coanda es que se puede observar en cosas tan simples o cotidianas como al poner una cuchara bajo el grifo de agua, o al verter un líquido de un recipiente a otro, que se queda “como pegado” al primero. Porque el aire sobre un monoplaza de F1 se comporta del mismo modo que ese agua.

Por ejemplo, si no tenemos en cuenta el efecto Coanda, cabría esperar que, cuando un chorro de agua cayera sobre una cuchara, el chorro seguiría cayendo totalmente vertical.

 

Sin embargo, esto no es lo que sucede, sino que el chorro se desvía:

Aquí vemos cómo al verter el agua de un vaso, el agua sigue por él:

 

Capa límite en aerodinámica

Antes he dicho que nos interesa que “el aire no se despegue del coche”. Pero claro, si se piensa en esta expresión, salta a la vista que algo falla, pues si no hay aire pegado al coche, ¿qué hay?

Bien, pues aquí entra en juego el concepto de capa límite. Se podría decir que la capa límite es algo así como la cantidad de aire que se ha visto afectada por el coche al atravesarlo, porque gracias al gran diseño de un F1, solo hay una finísima capa de aire a su alrededor que es afectada por el coche (se dice que de aproximadamente 6 milímetros). Y ésta es la parte del aire que hay que evitar que se desprenda del coche.

Si se desprende, lo hará en la parte posterior (la parte frontal es la que “choca” contra el aire, por lo que no hay posibilidad de que se desprenda), lo que generará que en esta parte posterior haya turbulencias y el aire se encuentre a una velocidad mucho menor que la de la parte frontal, incluso nula. Lo que conllevaría que en la parte frontal se ejerza una presión hacia atrás mucho mayor que la presión que se ejerce hacia adelante en la parte posterior (porque, recordemos, el aire presiona en toda la superficie del coche).

Como vemos en la siguiente ilustración tan simple de la parte frontal, solo el aire que está entre la línea turquesa y el morro del coche es el responsable de ejercer la presión sobre éste:

 

Por tanto, lo que en un principio no interesa que no se desprenda del coche es la capa límite, no “el aire”. Aunque en ocasiones a los ingenieros les interesa provocar este desprendimiento para crear vórtices o turbulencias específicas, pero eso se analizará más a fondo en otra ocasión.

 

Para qué sirve la aerodinámica

La función global de todos los elementos que afectan a la aerodinámica del coche es conseguir la mayor sustentación negativa y la menor resistencia al avance posibles. Esto es, lograr que el aire haga que el coche se pegue lo máximo al asfalto (downforce) sin que esto conlleve que haya que hacer mucha fuerza para que el coche atraviese el aire.

En el estudio de la aerodinámica de cualquier vehículo, siempre se habla en términos de coeficientes, teniéndose el “coeficiente de resistencia aerodinámica” (o “drag”), CD, y el “coeficiente de sustentación” (o “lift”), CL, que solo tienen en cuenta la forma que tiene el vehículo. La presión total del aire sobre el coche depende también de la superficie frontal y de la velocidad a la que vaya:  la presión será mayor cuanto mayores sean la velocidad, los coeficientes y la superficie frontal.

La superficie frontal es la superficie que se ve del vehículo si lo miramos completamente de frente. Ésta es la superficie frontal del Ferrari SF70h:

Superficie frontal para entender aerodinámica

 

Como se puede intuir, los coeficientes CD y CL varían en cada circuito con las diferentes configuraciones aerodinámicas o setup. Es muy difícil saber exactamente qué valores toman en cada circuito, pero el CD suele estar alrededor de 1, variando aproximadamente entre 0,7 y 1,2 (el menor se corresponde a Monza y el máximo a Mónaco).

Para que nos hagamos una idea, los coches de calle normales suelen tener un CD entre 0,25 y 0,35. Esto significa que el coche de F1, si fuese a la misma velocidad que un coche de calle y tuviese la misma superficie frontal, necesitaría casi el triple de potencia para vencer la fuerza del aire.

Esto se debe a que, en un F1, se necesita un CL muy elevado para un mayor downforce (cosa que no suele interesar tanto en un coche de calle habitual), y esto se consigue “sacrificando” el CD. Sin embargo, el diseño de un monoplaza de Fórmula 1 es tan bueno, que casi se puede llegar a que el CL triplique el CD. Por eso es tan importante la aerodinámica en los coches de competición. En los de calle, lo único que interesa es que el CD sea bajo para reducir el consumo.

Quisiera aclarar que el CL tiene valores siempre negativos en un F1, porque lo que interesa es que el coche se pegue a la pista. Es en el diseño de aviones donde se buscan los coeficientes positivos, para que despeguen y se mantengan en el aire. Por tanto, cuando digo que el CL ha de ser el máximo posible en un F1, me refiero a un máximo negativo.

 

Cómo afecta la aerodinámica al diseño de los automóviles

Teniendo fijo el CD y la superficie frontal, la fuerza que ejerce el aire en contra del movimiento no varía linealmente con la velocidad.

Veámoslo nuevamente con un ejemplo, en el que se ven cuántos caballos son necesarios para vencer la resistencia al aire suponiendo un CD=1 y una superficie frontal de 1,4 m2:

potencia necesaria para superar aerodinámica

Como vemos, va aumentando de forma exponencial. Con estas características, la potencia del motor necesaria para vencer el aire a 300 km/h es de 543 CV aproximadamente.

A esa misma velocidad, si el CD fuese de 0,7 en lugar de 1, serían necesarios “solamente” 380 CV:

potencia necesaria para superar aerodinámica

Recordamos que se han llegado a alcanzar los 370 km/h, una velocidad imposible si el CD no hubiese sido muy reducido. Para esta velocidad, la superficie frontal de 1,4 m2 y con un CD=0,7 se necesitan unos 713 CV; mientras que con CD=1, serían necesarios 1019 CV.

Esto nos da una idea de la gran capacidad que han de tener las unidades de potencia de los coches de F1 para poder hacer frente a esos CD tan elevados. O, visto de otro modo, lo aerodinámicos que deben ser los coches para que, con la potencia que tienen, puedan alcanzar mayores velocidades.

Por curiosidad, analizando el caso de un BMW Serie 3 (CD=0,27 y superficie frontal de 2,20 m2), vemos la gran diferencia:

potencia necesaria para superar aerodinámica

La velocidad máxima de este coche es muy inferior a los 300 km/h. Pero, si fuese posible alcanzarla, necesitaría “solo” 230 CV.

Eso sí, ten en cuenta que estas potencias serían únicamente para vencer el aire, no serían suficientes para conseguir llevar el coche hasta esa velocidad. Para ello, habría que tener en cuenta también las fuerzas de rodadura, inercia, pendiente…. Pero estos ya son otros conceptos distintos a la aerodinámica.

 

Qué y cómo son las formas aerodinámicas

Para conseguir la mayor downforce y la menor resistencia al avance, siempre se utilizan unos perfiles aerodinámicos del tipo:

(avance del coche hacia la izquierda)

Y esto, como podéis imaginar, no es por capricho.

Se debe a que, gracias a esta forma, se consiguen tres efectos:

  • El aire circule más rápido por la parte inferior que por la superior: Como expliqué antes, esto produce que el aire ejerza una presión sobre el perfil aerodinámico hacia abajo.
  • El aire se desvíe hacia arriba: Esto, por el principio de acción-reacción, produce que el aire también ejerza una fuerza hacia abajo. De tal modo que, si el perfil desvía el aire hacia arriba, el aire empujará el perfil hacia abajo.
  • Se evita el desprendimiento de la capa límite: Antes también se vio que se necesitaban formas suaves para que el flujo de aire no se desprendiera del cuerpo y así evitar que se produjeran cambios bruscos de presión. La forma ideal era la de “lágrima”, pero con ésa no se conseguirían los otros beneficios.

Conclusión

Como ves, todo tiene su explicación y no es tan difícil como puede parecer al principio. Aunque esto es solo la parte más básica de la aerodinámica, son conceptos fundamentales y que los expertos aerodinamistas tienen siempre en mente para crear sus diseños.

En cualquier caso, si algo no te ha quedado claro o quieres comentar algo, no dudes en dejar tu comentario; estaré encantado de leerlo y responder.

¡Un saludo y hasta la próxima!

 

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Comentarios (2)

Hola….si quisiera q un auto monoposto tipo “fórmula” avanzara economicamente, ya que tiene poca potencia, y no necesitara pegarlo al piso para transmitir potencia (ya q es poca) ¿sería adecuada la forma de lágrima? Cual seria el rumbo de investigación? Gracias!!

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Buenas, Guillermo. Entiendo que la prioridad sería reducir la resistencia al avance lo máximo posible, ¿no? Para eso sí que vendría bien la forma de lágrima, al menos a priori, por ser la que menos drag genera.
De todas formas, tienes que tener en cuenta que no se puede diseñar cada parte de un fórmula por separado, todas tienen que estar relacionadas.

Para una investigación sobre cómo reducir esa resistencia al avance, yo me centraría en tres cosas fundamentales:
Desviar el flujo de aire que choca contra las ruedas, que esto se tendría que hacer con un buen alerón delantero y probablemente sea lo que más resistencia al avance le puede quitar a un fórmula
Que no se generen demasiadas depresiones en la estela del coche, algo que se podría mejorar optimizando la forma de lágrima
Intentar que el flujo se mantenga pegado al cuerpo del coche lo máximo posible, que también ayuda a que no se generen esas depresiones. Se puede conseguir con la forma de lágrima y apoyándote con otros elementos del coche (alerón delantero, generadores de vórtices, bargeboard…). Pero eso ya depende de la complejidad del auto.

¡Espero haberte resuelto las dudas!

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