POR QUÉ CORREN TANTO LOS F1: EFECTO SUELO

Bueno amigos, hoy voy a hacer de buen padre y resolverle a mi hijo una duda que me realizó hace unos días. Estando en la playa me comentó: Papi ¿por qué corren tanto los F1? Claro, la pregunta se las trae y parece tener fácil explicación aunque realmente no la tiene. Sí, un F1 tiene un motor que genera muchos caballos de potencia, tecnología punta para conseguir las mejores prestaciones y unas ruedas que se agarran al suelo de manera generosa  pero todas esas cosas carecen de importancia cuando encontramos la causa principal  por la que un F1 puede “volar” pegado a la pista, la aerodinámica.

Dejando a un lado la ironía, ya que algunos ni vuelan, ni andan, ni nada,  hoy quiero daros luz sobre la causa principal por la cual se consiguen esas extraordinarias prestaciones, el efecto suelo. Sé que a muchos le parece cansino leer temas sobre aerodinámica pero en la F1 actual es el responsable de generar el 70% de las prestaciones del coche y eso, se quiera o no es muy, muy importante así que, abrocharos el cinturón que arrancamos.
Para conocer qué es de extraordinario el efecto suelo hay que aclarar algunos conceptos para verlo con claridad. Ya  he hablado de este tema en anteriores artículos pero vamos a refrescar las ideas. Siempre que se inicia un artículo de este tipo se hace referencia al mismo ejemplo  ¿por qué vuelan los aviones? Y os preguntaréis el por qué. Bien, realmente un avión vuela gracias a la forma que tienen sus alas que generan una serie de fuerzas que originan la sustentación y le permite alzar el vuelo. Pues bien, un F1 presenta una fisionomía parecida al ala de un avión pero invertida ya que lo que se pretende no es que alce el vuelo sino más bien lo contrario. Ese concepto de ala invertida que genere el mayor empuje posible hacia el suelo es la base de los coches modernos.

Pero ¿qué generan esas fuerzas?  Realmente entran en liza tres elementos que hacen que el coche se pegue al suelo, haciendo que las ruedas tengan mayor agarre  y pueda correr más. Por un lado tenemos un principio físico, el de Bernoulli, un efecto, el de Venturi  y por último una ley, la tercera del movimiento de Newton. Vamos a ir viéndolo uno a uno ¡¡Que bien, vamos a hablar de física!! Jeje. Bueno,  intentaré que sea ameno y fácil de entender.

Principio de Bernoulli y efecto del tubo de Venturi.

Bien, entro ahora en terrenos escabrosos. Mira que he mirado cosas pero nadie parece ponerse de acuerdo, más bien parece una película de detective. Quién es el asesino. Después de sintetizar todo llegué a la conclusión de que  la base principal por la que un F1 corren tanto se debe a los efectos que produce en el coche el teorema de Bernoulli, aunque si miras por todos lados parece que es Venturi quién se lleva las medallas. Para ser fieles, el efecto Venturi no es más que un caso particular de la famosa ecuación de Bernoulli, así que para mí, el mérito lo tiene el primero que fue quien lo hizo teorema y debe llevarse las medallas. Dejando a un lado la polémica voy a exponer unos ejemplos que puedan aclararos cada concepto.

Principio de Bernoulli

Imaginaros que queréis regar el jardín y para ello habéis colocado una manguera con un diámetro constante a un grifo de vuestra casa y lo habéis abierto. Si no tocáis más el mando del grifo por el tubo va circulando agua a una velocidad constante y va saliendo por el extremo en forma de chorro de un tamaño constante. Pero hay un problema, no llegamos con la manguera al final del jardín y hay que regarlo también. ¿Qué hacer? Bien, seguro que todos habréis hecho lo mismo, tapar un poco la salida de la manguera, el chorro llega más lejos y solucionado. ¿Qué ha sucedido?

Bien, este es un ejemplo de uno de los principios de Bernoulli. Si se produce un estrechamiento en el tubo por donde circula un fluido, en esa zona se produce un aumento de la velocidad con la que el fluido circula por el tubo. Esto se debe a que las partículas de agua que vienen por detrás van empujando a las que las preceden. Al disminuir el diámetro la única forma de evacuar la misma cantidad de líquido es aumentar la velocidad con la que circula el agua. En nuestro ejemplo, el volumen de líquido que sale por la punta de la manguera es el mismo pero al producirse el estrechamiento justo en la salida podemos apreciar que lo hace a una mayor velocidad. Esto es fácil verdad, pero hay una consecuencia que no era  tan fácil de ver y medir.  Vamos a verlo.

El comportamiento que normalmente evocamos con el término "efecto de Bernoulli", es el descenso de la presión del líquido en las regiones donde la velocidad del flujo es mayor y viceversa. ¿Qué quiere decir esto? Pues que cuando se produce un estrechamiento se produce un aumento de la velocidad del fluido como vimos antes pero se genera un descenso de la presión del fluido que circula por él.

!Ojo!, esto parece contradictorio con lo mencionado antes ya que vemos que el agua que sale por la manguera, sale a una presión mayor que si no lo hacemos. La presión de la que habla es la que ejerce el líquido contra las paredes del tubo. Intentaré dar luz sobre el asunto.

Como sabéis, un fluido les un conjunto formado por una infinidad de moléculas están dentro de él. Esas moléculas no están quietas, de ser así estaríamos hablando de un material sólido. Por tanto están  en constante movimiento, más o menos libre dependiendo de si hablamos de un gas (máxima libertad) o un líquido donde es más limitado. Ese movimiento hace que las moléculas vayan chocándose contra todo lo que le rodea, sea otras partículas iguales que ellas, sea contra la pared de la manguera. Cuando lo hacen contra la pared estas moléculas la empujan para intentar escapar pero rebotan sobre ella.  La presión de un fluido está relacionada con la frecuencia con las que estas moléculas chocan contra la pared ya que de ella dependerá la cantidad total de fuerza que se aplican sobre las paredes por cada segundo. Si la velocidad de tránsito por el tubo es lenta estas partículas tienen más tiempo para chocarse haciendo que la presión del conjunto sea mayor que  si el movimiento es más rápido, ya que el tiempo que tiene  las moléculas para chocar contra la pared es menor. Recordar que la presión  es una magnitud que mide la fuerza que se ejerce sobre una superficie.

Por tanto tenemos que:

1-      A mayor velocidad de un fluido menos presión.

2-      A menor velocidad de un fluido mayor presión.

¡Vaya tostón! pensaréis pero esto es fundamental como veremos luego.

Bien, el Sr Bernoulli teorizó sobre todo el asunto y realizó un teorema con una fórmula física de esas tan bonitas que estudiaba en la universidad y que desaparecía de mis recuerdos solo dos segundos después de terminar el examen pertinente. 

Efecto Venturi

Venturi se llevó las medallas  de todo este jaléo ya que hizo un tubito maravilloso donde se demostraba fácilmente lo descrito. Con el tubo de Venturi, formado por una sección  principal a las que unió otras dos secciones verticales se pudo demostrar que al variar el diámetro en un tubo, la presión del fluido disminuía proporcionalmente a la variación de la sección. Como vemos en esta imagen, en la zona más ancha el fluido (aire, líquido) presenta una menor velocidad pero una mayor presión y en la sección más estrecha sucede lo contrario. La diferencia de altura del líquido en los tubos verticales, es proporcional a la variación de presión.

Quiero hacer una matización antes de seguir, todo lo hablado hasta ahora se regía a fluidos dentro de un tubo pero también se puede extrapolar a los fluidos que están fuera de ellos como veremos a partir de ahora aunque su efecto es menor. Os dejo algunos  ejemplos que podéis hacer en casa. Coger dos bolas como en la imagen o dos latas de refresco vacías sobre la mesa, separadas unos tres centímetros y coger una pajita y soplad, veréis lo que sucede. ¡oh, sorpresa!

Bueno, una vez descifrado todo, ahora todo resultará más fácil y ahora podemos volver a hacer la pregunta. ¿Por qué vuela un avión?
Un avión vuela gracias a la forma de sus alas. Éstas constan de dos formas distintas, una cara inferior recta y una superior curva. Para verlo mejor utilizaré un flujo laminar ya que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. Como vemos, cuando llega el aire al borde de ataque del ala se produce una rotura de las líneas de corriente. Por un lado las líneas  que circulan por debajo del ala no se ven afectadas por ella pero las que circula por la parte superior se produce se comprimen. Ese efecto es producido por la forma del ala.

Lineas de corrientes comprimidas en la parte superior del ala.

Ahora entran en liza las explicaciones previas. ¿Qué sucedía si se producía un estrechamiento? Se aumenta la velocidad del fluido y como consecuencia, se disminuía la presión.  Esa son dos de las causas por la que alza el vuelo un avión aunque falta una, la tercera ley del movimiento de Newton

La Tercera Ley del Movimiento de Newton

La tercera ley del movimiento de Newton que dice que para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual en intensidad pero de sentido contrario. Un poco lioso pero pongo un ejemplo y se pillará mejor. Si yo empujo una pared, la pared me empuja a mí con la misma fuerza en sentido contrario, eso sí, salvo que haya comido muchas espinacas como Popelle y la derribe pero no es el caso.
Pero, a qué viene esto ahora. Bien, esto también es fundamental. Tenemos pues que la superficie superior del ala tiene una zona de bajas presiones, una especie de vacío que tira de ella hacia arriba y como toda acción requiere una reacción,  en el otro lado tendrá que haber una fuerza de altas presiones debajo del ala para hacer cumplir la ley y cerrar el equilibrio. Efectivamente, así sucede.

Por tanto existe una presión negativa en la parte superior del ala y una fuerza que empuja (presión positiva) hacía arriba desde la parte inferior. ¡Ale hop! A volar, eso sí, si se alcanza una velocidad necesaria para originar la sustentación, de no ser así, nos quedamos en tierra. En este vídeo vemos como en una prueba en un túnel de viento como realmente las líneas de corrientes que pasan por la parte superior del ala lo hace a una velocidad mayor que en la parte inferior.

Por tanto y a modo de resumen, aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones, este efecto por sí solo no es suficiente para explicarla ya que también intervienen el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región más convexa del ala de un avión y a la tercera ley de Newton. Existen a este respecto al menos dos puntos de vista, a veces enfrentados y en ocasiones con virulencia sobre que fuerzas tienen más importancias a la hora de producir el vuelo y que también pueden ser extrapolables a la F1.
Uno de ellos se apoya principalmente en el teorema de Bernoulli (baja presión encima del ala y alta presión debajo del ala) mientras que el otro se basa en las leyes de Newton (el flujo de aire deflectado hacia abajo "downwash" produce una reacción hacia arriba), en el caso de la F1 hablaríamos del más que conocido downforce. Ambas explicaciones no son tan incompatibles como a veces quieren hacernos creer, y aunque mi conocimiento de la física es muy limitado, lo que el sentido común me dicta después de haber leído unos cuantos artículos al respecto es que posiblemente se trate de puntos de vista distintos, dos formas diferentes de simplicar un único suceso complicado.
Pues todo lo explicado hasta ahora nos va a servir para descubrir el elemento mágico que hace corres a los F1, el Efecto suelo.

Efecto suelo

Este efecto se introdujo en la Fórmula 1 a finales de los años 1970 por parte de A. Balbás, ingeniero británico de origen alemán integrado en las filas de Lotus. Balbás realizó un diseño especial de la parte inferior de la carrocería revolucionario para la época y le doto de unos faldones para lograr un efecto Venturi que disminuyera la presión del aire debajo del monoplaza. Dada la efectividad del sistema, no tardó en ser copiado por los demás equipos. El objetivo era extraer la mayor cantidad de aire de los bajos del coche a la máxima velocidad posible y para ello Brabham en su modelo BT46B  intentó utilizar otra técnica, concretamente un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente.

Pero ¿Qué es el efecto suelo? Bien, como dije antes todas las explicaciones que son válidas para conocer la técnica por la cual un avión alza el vuelo ahora son útiles para poder describir el efecto suelo. ¿Qué es lo que hace falta para ello? Fácil, idear una carrocería que haga las funciones de un ala pero en este caso invertida, es decir que la zona del coche que acelere al aire después de pasar por su alerón delantero sea la parte inferior del coche. En esa zona el aire se acelera al ser comprimido su paso y genera  una succión, es decir una zona de bajas presiones que "aplasta"  el coche al suelo. Si a eso unimos que por su parte superior el aire circulará de manera más lenta originando una zona de altas presiones que compensará la Tercera Ley de Newton que también empujará el coche al suelo. ¿Qué se consigue con esto? Aumentar la carga aerodinámica del coche de una forma brutal, haciendo que las ruedas tengan mucho más agarre ya que la fuerza que empuja el coche hacia el suelo es mucho mayor y por tanto su tracción se verá incrementada. Para poneros un ejemplo. Si el coche pesa 600kg, el efecto suelo hace que las ruedas se peguen al suelo como si el coche pasara 900kg, por tanto la superficie del neumático al suelo y la fuerza de rozamiento que tiene el compuesto con respecto al asfalto serán mayores. Todo esto se traduce en la posibilidad de acelerar más rápidamente, trazar curvas a mayor velocidad, en definitiva mejorar el tiempo por vuelta.
Por tanto se denomina efecto suelo al fenómeno aerodinámico que sucede cuando un cuerpo, con una diferencia de presiones entre la zona que hay por encima de él y la que hay por debajo, está muy cerca de la superficie terrestre, lo que provoca unas alteraciones en el flujo de aire que pueden aprovecharse en la mejora del rendimiento del coche.

Faldillas móviles.

Ahora, el efecto suelo generado por los coches es menor que cuando surgió en el año 78 y la explicación es sencilla. En aquella época se dotaron a los coches de unas faldillas que permitía crear un efecto del tubo de Venturi casi perfecto. La genialidad del equipo de la Lotus Engineering radicó en producir unas faldillas móviles que discurrían a lo largo de la parte inferior de los laterales de tal forma que ocuparan la totalidad del largo del pontón. Construidas en materiales flexibles tenían en su extremo inferior flejes metálicos en todo el largo provistos con materiales cerámicos para soportar el roce continuo contra el asfalto.  En recta el sistema funcionaba genial y en curva también pero sin embargo, esta técnica tenía el problema de que en cuanto no hubiese una presión lo suficientemente pequeña por debajo del vehículo, cosa que por ejemplo podía pasar si se pasaba a gran velocidad por encima de un bache y el vehículo daba un pequeño salto, éste podía volverse muy inestable e incluso podía salir volando. Después de un período de tolerancia y tras varios accidentes muy aparatosos, en la mayoría de competiciones, incluida la Fórmula 1, limitó la utilización del efecto suelo por motivos de seguridad. La FIA prohibió el uso del fondo alar, obligando que fuera plano hasta el eje trasero, los faldones movibles que se sujetaban en la parte trasera de las vainas laterales de los coches que fue vital para conseguir consistencia con el efecto suelo y  la regulada obligación de estar el coche a 6 cm, para el interés de la seguridad del piloto. Pero como en la actualidad los equipos buscan los resquicios y el equipo Brabham fue el primero en sortear esta norma usando un sistema de Suspensión hidroneumática el cual  bajaba el Brabham BT49 hacia la pista en condiciones de mucha carga, es decir, en las recta. Y decimos que ahora.

Uno de los factores a tener en cuenta para mejorar el rendimiento en el efecto suelo es la distancia del coche con el suelo. Cuanto menor sea esta distancia mayores efectos producirá. En la F1 actual y desde hace muchos años estas medidas se han limitado no pudiendo sobrepasar un límite. Tampoco se permite el uso de faldillas. Estos elementos impedían que aire que circulaba por la parte externa del coche se introdujera debajo del suelo y lo contrario, que el que estaba siendo canalizado por debajo del coche saliera por los laterales e hiciera que el rendimiento bajase. En la actualidad se utilizan unas pieza en los laterales del suelo del coche para generar vórtices que tienen una función, extraer aire de debajo del fondo plano para aumentar el vacío en esa zona.

Generador de vórtices en el borde del suelo.

¿Por qué es tan importante el efecto suelo? 

Con todo lo mencionado antes sería suficiente para darle la importancia que realmente tiene aunque hay una más que es vital. El elemento que hace funcionar en la actualidad de la forma más eficiente posible el efecto suelo llegando a alcanzar el 25% de la carga total del coche es el difusor. Hay más, el alerón delantero genera el 30%, el trasero otro tanto de lo mismo y los complementos situados en distintas partes del coche, el resto. Sin embargo, de todos los elementos que generan carga aerodinámica, fondo plano y el difusor es el más eficiente  (la relación entre la carga aerodinámica generada y la resistencia producidas) porque a diferencia de los alerones, el apoyo producido por el fondo incrementa la velocidad de paso por curva sin frenarlo en las rectas.

Fondo plano y difusor al descubierto.

La función del difusor es descargan el aire que pasa por debajo del vehículo hacia la parte posterior del mismo. Este elemento que está en el borde de salida del fondo plano es el dispositivo aerodinámico más importante de un Fórmula 1. Su función es permitir que las bajas presiones generadas en los bajos vayan aumentando al ir descomprimiendo el aire pero que lo hagan en la posición más trasera posible. También se diseñan para que puedan interactuar de la forma más eficaz con el flujo de aire procedente de la parte superior del suelo haciendo. Este flujo superior empuja hacia abajo al que sale del difusor, lo cual genera una fuerza adicional de adherencia en las curvas con una mínima perdida de energía debido a que no hay ningún elemento que ofrezca resistencia.
En la siguiente imagen se muestra un esquema de un difusor para automóviles, donde se tiene un mapa de presiones del aire sobre el difusor. La presión es menor mientras el color es más azul, y mayor si el color es el rojo.

Una visión particular fue el famoso doble difusor que utilizara el Brawn en el 2009. En este caso el difusor es un claro ejemplo de lo que puede llegar a hacer el efecto Venturi. Todo el fondo plano aceleraba el aire y generaba la depresión como en el resto de los casos pero en esta ocasión lo canalizaba en gran medida hacia un embudo en el centro de la zaga, el doble difusor que hacia de perfecto tubo de Venturi acelerando aún más el aire por su interior y generando una carga tremenda en el tren trasero permitiendo que sus coches fueran nada más y nada menos que dos segundos más rápidos que el resto.

Genial, pero su diseño estaba fuera del espíritu de la norma que limitaba el tamaño y reducción que había impuesto la maFIA de aquellos años y gracias a la guerra contra los equipos que querían abandonar el campeonato fue legalizado.
En resumen, lo interesante del efecto suelo es que aumenta considerablemente el esfuerzo límite de adherencia entre los neumáticos y el suelo de forma aerodinámica, sin aumentar la masa del automóvil, haciendo que el agarre sea mayor a mayores velocidades. Bueno, espero haber sido ameno y de fácil comprensión aunque mi hijo la verdad no lo ha entendido mucho. Tiene solo siete años y me doy un margen de beneficio. Lo intentaré de nuevo cuando tenga diez y ya os contaré los resultados,  pero eso será otra historia.

Fuentes:

que-formula1.com, manualvuelo.com, taringa.net, Wikipedia,Análisis técnico - F1