TÚNELES DE VIENTO: LINEAS DE CORRIENTE

Bueno, empezamos el tercer artículo sobre los túneles de viento y ahora llega el turno a las líneas de corriente, su interpretación y su importancia a la hora de diseñar un buen F1. En el mundo de la automoción, a igualdad de potencia de motor, las mejoras aerodinámicas ayudan a correr más y ahorrar combustible. A la hora de reducir el consumo, una carrocería que penetre bien el aire influye un 50%  más que el peso del vehículo y ese dato mejora hasta el 80% si las velocidades son altas. Por eso todas las marcas invierten mucho tiempo y más dinero en probar su tecnología en los túneles de viento.
Como pudimos ver en el anterior post, las mediciones de los distintos parámetros  producen una gran cantidad de datos que tienen que interpretar los ingenieros, el inconveniente es que dichas medidas son puntuales y su representación a nivel global se hace muy compleja. La capacidad de cálculo de las computadoras actuales hace algo más sencilla la interpretación de los resultados pero hay que fiarse de la computación y eso es mucho hablar. Por tanto los ensayos y la comprobación de que esos datos coinciden con lo diseñado son necesarios.

¿Pero cómo? Bien, realmente todos los datos de presión, fuerzas, etc. son producidos por la interacción de los flujos de aire en su tránsito por el vehículo. El estudio del movimiento de los fluidos, en general es un problema muy complejo. Las moléculas de un fluido, además de ejercer entre si acciones mutuas de gran importancia, pueden tener diferentes velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones. Por esta razón es necesario tener en cuenta conceptos adicionales al aplicar las leyes de la dinámica a los fluidos en movimiento y uno de ellos es su interacción con la superficie del vehículo y para poder ver ese tránsito son necesarias unas técnicas que ayudan a poder interpretarlos, son las conocidas líneas de corriente.

Para aclarar las ideas vamos a describir algunos conceptos importantes. Empezaremos por el flujo que se define como cualquier fluido que se encuentra en movimiento, sea agua, arena, gasolina pero en nuestro caso utilizaremos el aire. Este aire tiene unas  características, las llamadas variables físicas (temperatura, presión, densidad) que hay que tener en cuenta a la hora de hacer los ensayos, por ejemplo, no es lo mismo el aire a nivel del mar donde su presión, densidad son mayores que por ejemplo a 800 metros de Interlagos donde esas medidas son menores ya que la atmósfera es menos densa por la acción de la altura. Por tanto es importante tener en cuenta esas variables físicas a la hora de hacer los cálculos. 

Ejemplo de lineas de corriente.

Centrándonos en el aspecto aerodinámico vemos que en el aire hay moléculas que estás en movimiento y que irán más o menos rápidas dependiendo de la velocidad del vehículo. Si pudiéramos ver esas moléculas veríamos que cada una llevan una trayectoria definida y esas trayectorias es a lo que se le llama “líneas de corriente”. Por tanto una línea de corriente es una línea continua trazada a través de un fluido y nos indica la dirección que lleva el fluido en movimiento en cada punto del fluido. 

Una vez intentado aclarar los conceptos entramos en materia.

¿Cómo observar los flujos y determinar las líneas de corriente? Hay varios métodos para hacer visible el aire aunque los más utilizados son el humo, las partículas en suspensión, colocar hilos en la superficie del modelo, este último método visto en las pruebas de los coches en pista. A veces, hay comportamientos del aire como los vórtices que son difíciles de apreciar por el ojo del ser humano o simplemente no tenemos tiempo suficiente para fijarnos en todo. Por esta razón normalmente se graba o fotografía el ensayo en alta calidad para a posteriori poder estudiarlo las veces que sea necesario.

Ahora veremos de forma básica su interpretación. Cuando un coche acelera subiendo y bajando una colina y frena para tomar una curva complicada, el flujo de aire alrededor del mismo no se mantiene estable y se desvincula del vehículo. Esta separación aerodinámica crea un arrastre adicional que frena el coche y fuerza al motor a trabajar más. El mismo fenómeno afecta a aeronaves, botes, submarinos e incluso pelotas de golf. Para reducir los arrastres nos interesa ver por donde circulan los flujos, que caminos trazan y de qué forma. Además, a través de ellas podemos determinar si el flujo es laminar o es turbulento y también si está adherido a la superficie o no (capa límite).

Vamos a diferenciarlos. Un fluido puede ser de distintos tipos dependiendo de lo “ordenadas” que vayan las moléculas. Por ejemplo, no es lo mismo que  todas las moléculas vayan unidas, bien ordenadas y todas a la misma velocidad y dirección que cada una a su aire, nunca mejor dicho, con direcciones aleatorias y velocidades distintas. Así tendremos dos tipos de flujos, el laminar cuando sus partículas se mueven a lo largo de trayectorias de forma suave, en láminas o capas, de manera que una capa se desliza suavemente sobre otra capa adyacente y el flujo turbulento que es cuando sus partículas se mueven en trayectorias muy irregulares que causan colisiones entre las partículas, produciéndose un importante intercambio de cantidad de movimiento entre ellas que tren como consecuencia  pérdida de energía en todo el flujo. Como os comenté las variables físicas influyen en los flujos, por ejemplo la acción de la densidad del aire amortigua la turbulencia en un flujo ¿qué significa esto? Pues que una pieza de un F1 que en la pista de Valencia produce una turbulencia pequeña, si se utilizara en Interlagos y no se revisara produciría una perturbación aún mayor con la consiguiente pérdida de eficacia. Por tanto, si tenemos un fluido con baja viscosidad, alta velocidad y de gran extensión, moviéndose  con un flujo laminar, éste se convertiría muy rápidamente en un flujo turbulento.

 

¿Qué es lo que se busca a la hora de diseñar un F1? Bien, los ingenieros lo que intentan encontrar el menor coeficiente de resistencia aerodinámica, es decir la menor resistencia posible al avance del vehículo y una de las formas de conseguirlo es intentar que los diseños, tanto de alerones como de la carrocería generen la mayor cantidad de flujo laminar posible ya que este tipo de flujo es más estable, predecible, eficaz y  consigue los mejores resultados de generación. Para ello empiezan por el alerón delantero que empiezan a canalizar los flujos que llegan al coche, una parte lo dirige hacia los pontones de refrigeración, otra parte la conduce al suelo y por último, por encima de los pontones, siempre intentando reducir al máximo el flujo turbulento. Por tanto, el alerón delantero es una de las partes más críticas del coche ya que si tiene un diseño fallido compromete todo el transito sobre el coche. El resto del flujo laminar que llega a la zona trasera procede del que no interactúa con el alerón, el que bien por la parte superior del morro.

Claro ejemplo de rotura del flujo laminar.

Pero no todo es positivo o negativo en la vida, depende de cómo se diseñe se puede conseguir beneficios de algo indeseable. Hay elementos que por sí son grandes creadores flujo turbulento, como es el caso de las ruedas, con diferencia el mayor de todos y en menores medidas el difusor, el alerón trasero o incluso los retrovisores, pero también los ingenieros pueden crear intencionadamente turbulencia para mejorar el rendimiento del coche. Un ejemplo sería el que se origina desde el alerón delantero. Algunos elementos del alerón junto a las ruedas puede originar un vórtice (un remolino para que se entienda mejor) que gira en una dirección concreta y que es dirigida hacia las zonas bajas de los pontones de los radiadores. Esa turbulencia controlada tiene una función importante, extraer aire de debajo del fondo plano. Esto origina una zona de baja presión (vacío) aun mayor con lo que se aumenta la carga. Si por ejemplo, en lugar de girar el remolino en la dirección comentada lo hiciera de forma contraria, en lugar de extraer, introduciría aire y el resultado sería todo lo contrario. Así de complejo es el tema pero son los casos más contados.

 Por tanto las turbulencias controladas son útiles pero las no controladas producen mayor resistencia al avance. ¿Pero cuál es la causa de esa pérdida de eficacia? Como comenté, cuando un objeto se sitúa dentro de un flujo el aire empieza a circular sobre su superficie hasta sobrepásalo. En el caso de ser laminar, todas las moléculas pasarán por el objeto sin alterar su comportamiento con respecto al grupo, es decir, la circulación del grupo seguirá siendo en grupo, puede que cambie o no de dirección del flujo pero siempre lo hará de forma ordenada, eso sí, disminuyendo su efecto a medida que nos alejemos del objeto.

¿Qué pasa cuándo se origina una turbulencia? Imaginaros cuando un cuchillo corta  un gran bloque de gelatina con la hoja en posición horizontal, si el corte es limpio siempre hay gelatina por encima y por debajo de la hoja, es decir la hoja siempre está en contacto con el gel. Si el corte se hiciera con la hoja inclinada, al pasar por la gelatina la cara  anterior está en contado con la gelatina la posterior no, y en su avance se genera un vacío que hace atraer gelatina para rellenar ese hueco. Pues lo mismo ocurre con el aire, si se origina una turbulencia se crea una zona de baja presión o lo que es lo mismo una zona de vacío donde no hay moléculas de aire. Pero ese vacío no es estable, el aire tiende a estabilizar las presiones rápidamente y cómo lo hace, atrayendo moléculas de las zonas adyacentes, sería como si hiciéramos un boquete en el agua creando un vacío ¿qué hace el agua? Pues rellenarlo, verdad, lo mismo hace el aire al igualar las presiones pero que trae como consecuencia. Imaginaros que el boquete en el agua fuera muy grande y una persona estuviera nadando en el borde del mismo y quiere alejarse de él ¿Qué ocurriría?  Que sería arrastrado hacia el interior, pues lo mismo ocurre con el aire, ese vacío atrae todo lo que hay a su alrededor y como el objeto esta muy cerca se origina una succión del mismo con el siguiente lastre al avance del objeto.

En rojo se aprecian las zonas de muy baja presión

 Esto es un factor muy importante ya que gran parte de las turbulencias que se originan en un F1 se crean en la parte trasera. Recordar que entre el fondo plano y el suelo se crea una inmensa zona de bajas presiones que intenta pegar el coche en el suelo y esa zona concluye en la zona del difusor, justo donde interactúa con el flujo procedente de la parte superior de la carrocería en transito entre el suelo y la parte baja del alerón trasero y tiene efectos negativos en el coche, disminuirlo en la mayor medida es el objetivo de los ingenieros aunque estas zonas de bajas presiones y turbulencia no solo afecta a el coche, también complica o facilita la tarea de los demás coches que circulan por detrás y pongo dos casos.

Si un coche circula detrás de otro, todas las turbulencias impiden que llegue y por tanto  genere sobre su superficie flujo laminar con la consiguiente pérdida de rendimiento del perseguidor cuando están cerca. Con la normativa actual que disminuyó la carga aerodinámica de los coches, las turbulencias son “menores” y no están tan comprometidos como en años anteriores cuando un coche no podía rodar cerca de otro ya que perdía agarre muy fácilmente y dificultaba las posibilidades de los adelantamientos.

Por otro lado puede traer beneficios a los rivales como es el caso del rebufo. Esta técnica consiste en que un coche intente alcanzar la zona de vació que origina el coche que le antecede, consiguiendo disminuir la resistencia al avance, aumentar su velocidad y por tanto facilitar el adelantamiento.

En fin, interesante y apasionante apartado de la técnica. De su buena o mala utilización depende la creación de desastres o maravillas, de ahí la importancia de un buen trabajo. El próximo artículo cerrará  la serie, dará una visión global de todo lo comentado y que elementos son importantes para crear un buen coche, pero eso será otra historia.

Nota: Algunos de ustedes pueden estar más avanzado en los aspectos técnicos de la F1, así que hasta cierto punto puede que esté familiarizado con la siguiente información y que las explicaciones dadas sobre conceptos sean ya conocidos. Como ignorante que soy de todo lo concerniente a la mecánica y demás conceptos de la F1 y tras intentar encontrar artículos que dieran algo de luz sobre el tema con explicaciones fáciles y entendibles y no encontrar mucho, mis artículos están dirigidos sobre todo a los que, como yo quieren encontrar artículos didácticos, de fácil asimilación para salir de las dudas y podamos aprender todos juntos. Espero que os gusten.