AERODINÁMICA 1: PRINCIPIOS BÁSICOS

Es el 'Santo Grial', no hay duda. Desde que los ingenieros descubrieron el potencial que tenía la utilización del aire y los efectos positivos que generaban sobre los F1, ya nada ha vuelto a ser igual.

Su introducción ha sido paulatina y la mejora en el rendimiento de los monoplazas evidente. Año tras año los equipos han realizado modificaciones que, con mayor o menor acierto, han permitido seguir girando esta rueda. La experiencia, el estudio y la comprensión de los complejos sucesos que ocurren cuando el flujo de aire pasa a lo largo de un coche de carreras ha permitido obrar gran parte de este milagro, y será la mejor base para seguir mejorando en el futuro.

Los años donde la mecánica marcaba la competición han pasado. Decía Enzo Ferrari que la aerodinámica era sólo para los fracasados que no sabían hacer motores y que cuando un cliente compraba un Ferrari, está pagando por el motor, el resto se lo daba gratis. Hoy en día ese pensamiento resulta caduco. La velocidad extraordinaria que llegan a alcanzar los F1 se debe a la cuidada combinación de un potente motor unido al exquisito y  elaborado diseño de su aerodinámica carrocería. La Fórmula 1 sería imposible sin aerodinámica y por muchas limitaciones que imponga la FIA por motivos de seguridad, siempre estarán por encima de la mecánica.
Viendo la importancia que este elemento representa me parece interesante realizar una serie de artículos sobre el tema. Mi intención es mostraros la evolución que ha experimentado varios de los componentes más importantes del coche y las actuaciones que han tenido que realizar los ingenieros sobre ellos para solventar algunos de los inconvenientes que se producen cuando se quiere alcanzar el máximo rendimiento aerodinámico. Para ello seguiré la misma línea marcada por los especialistas en la materia, de ahí que sea necesario y fundamental que todos comprendamos primero los conceptos básicos para luego descubrir sus efectos. Sin esto sería imposible.

En esta primera entrega os mostraré una parte de las reglas y fundamentos para entender la aerodinámica de fluidos. Estas explicaciones os servirán de base de consulta para futuros artículos, que servirán para  mostraros los efectos que dichas reglas generan. Sé que esta parte puede resultar un poco aburrida a algunos pero el esfuerzo merecerá la pena cuando veáis, y sobre todo comprendáis, por qué los flaps que utilizaba McLaren en su alerón trasero tenían forma serrada, o por qué la parte superior de los pontones de refrigeración están llenos de pequeños aletines, por poner sólo unos ejemplos. Pues nada amig@s, abrocharos el cinturón que arrancamos.

La aerodinámica
Su definición es la primera y obligada parada en el camino. La aerodinámica se define como la ciencia que estudia cómo se mueve el aire alrededor de los objetos y cómo interactúa con ellos. Dicho con palabras más técnicas: es la rama de la mecánica de fluidos que se encarga de estudiar los fenómenos que se originan cuando existe movimiento relativo entre un sólido y el fluido gaseoso que lo rodea, determinando las presiones y fuerzas que se van a generar. Los líquidos no tienen cabida aquí. Del estudio de ellos se encarga  la hidrodinámica pero sus cualidades son parecidas y me servirán para mostraros algunos ejemplos que facilitarán la tarea. Una vez que sabemos qué es la aerodinámica, la siguiente estación parece obligatoria: ¿qué es un fluido?
Se denomina fluido a toda sustancia cuyas moléculas se mantienen unidas entre si por fuerzas de atracción débiles y las paredes de un recipiente. Esta propiedad les permite fluir, es decir, escurrirse alrededor de los cuerpos y tomar su forma gracias a la facilidad que tienen sus moléculas de separarse del resto.
El término fluido engloba tanto a los líquidos como a los gases. La diferencia entre unos y otros depende de la fuerza con las que se cohesionan sus moléculas. Los líquidos presentan una cohesión mayor que les permite mantener su propio volumen y tomar la forma del recipiente que los aloja, mientras que los gases al tener una cohesión mucho menor carecen tanto de volumen como de forma propia.
¿Qué pasaría si las fuerzas de unión en lugar de ser débiles fueran muy fuertes? Pues tendríamos un sólido. La atracción entre sus moléculas puede llegar a ser tan elevada que cueste mucho trabajo separarlas. Cuanto más fuerte sea, más duro y sólido es.

Estas fuerzas de cohesión son las responsables de gran parte de los efectos que veremos posteriormente.

Resistencia aerodinámica
Todos los seres vivientes tenemos algo en común: estamos inmersos en un fluido. El aire es una mezcla de gases que está sujeto a las leyes que gobiernan a los fluidos. A pesar de que pasamos nuestras vidas inmersos en ese océano de aire, en pocas oportunidades tomamos conciencia de la resistencia al avance que nos ofrece cuando intentamos movernos.

¿Qué es la resistencia aerodinámica? Es la fuerza opuesta al movimiento que sufre un objeto sólido cuando se desplaza a través del aire. Esta fuerza es lo que en aerodinámica se conoce como resistencia al avance, o arrastre como suelen designarla algunos autores. Es importante recalcar que este tipo de fuerzas  siempre va en sentido contrario al avance del vehículo y es proporcional a la velocidad del mismo. A mayor velocidad, mayor resistencia.

La resistencia tiene dos componentes principales, la componente de presión (Resistencia de presión) y la componente de fricción (Resistencia de Superficie). Vamos a dedicarle un espacio para verlos.

A- Resistencia de superficie.  Está formada a su vez por dos tipos:

1- La resistencia de forma. Es la resistencia al avance producido por la forma que tiene el objeto. Cuando un vehiculo avanza por la carretera tienen que apartar de su camino una cantidad importante de aire para poder hacerlo. Las partículas que forma la masa de aire situada frente a él colisionan, en mayor o menor medida dependiendo de su geometría contra su superficie, reduciendo así su velocidad y obligando al motor a crear más potencia para conseguir ganar esa velocidad perdida.

Es fácil deducir que los valores de la resistencia de forma dependerán de la superficie frontal del objetor, que en F1 no es otra cosa que el área que ocupa el coche visto perfectamente de frente.

Queda claro que la superficie frontal de un camión no es la misma que la de un deportivo. Esta sección frontal es la que va barriendo un volumen de aire por unidad de tiempo cuando el coche se desplaza, y determina la cantidad de  masa de aire que deberá apartarse. Si se consigue reducir la superficie frontal obtenemos valores de resistencia mucho menores de ahí la importancia de "aerodinamizar" los objetos para así reducir el arrastre.

Los que somos amantes del ciclismo conocemos perfectamente este tipo de resistencia. Si queremos ir más rápido sobre la bicicleta tenemos que adoptar una postura más recogida (postura aerodinámica) que nos permita cortar mejor el aire. Para los menos experimentados se me ocurre otro ejemplo. Como gaditano que soy no se me puede ocurrir otro: un espléndido día de levantera.

Esta expresión coloquial define a los días donde el viento, sea o no de levante arrecia con mayor intensidad. En esas condiciones, o te pones de lado para reducir la superficie cuando llega algunas ráfagas extraordinarias o sales disparado hacia atrás.

El responsable principal de este efecto sigue el principio de acción y reacción. ¿Os acordáis? Sí, aquello que os expliqué en el anterior artículo sobre los endplate que decía que toda fuerza ejercida sobre un objeto (acción) recibe otra fuerza igual pero en sentido contrario (reacción), en definitiva, la tercera ley de Newton. Si no lo recordáis os aconsejo que le echéis un vistazo.

Cuando un coche va circulando su superficie colisiona contra las partículas de aire que encuentra en su camino y las empuja para que se aparten de él. Estas moléculas de aire se ven forzadas a realizar un  cambio de dirección (acción). En respuesta (reacción), el aire empuja al coche hacia atrás generando la resistencia aerodinámica.

La densidad del aire (número de moléculas por unidad de volumen) es un factor muy importante a tener en cuenta en este apartado. Veamos un ejemplo. Un F1 circula en una pista situada a nivel del mar (presión atmosférica alta) durante un día de invierno donde hace un frío que pela. En esas condiciones, la cantidad de moléculas existentes en el ambiente es mayor que si hiciera calor y estuviéramos a 2000 metros donde la densidad del aire baja. La cosa está clara, si hay más cantidad y su cohesión es mayor, el número de impactos aumenta y por tanto la resistencia también. La cosa se pone aún peor si encima la humedad en el ambiente es alta. Dejémoslo así.

Este tipo de resistencia es muy importante de ahí que en la F1 se trabaje cuidadosamente para disminuir sus efectos negativos aunque no siempre se consigue. Los ingenieros cuidan los detalles al máximo cuando diseñan los diferentes componentes del coche pero en ocasiones las necesidades de generación de carga aerodinámica son elevadas y hay que hacer sacrificios para poder obtenerla. Siempre hay actuaciones que ayudan a reducir en parte esa resistencia como puede ser por ejemplo la utilización de alas múltiples, pero como dije, esas medidas serán la base fundamental de los próximos artículos. De todas formas, por mucho que quieran, siempre tendrán las ruedas, las mayores generadoras de resistencia frontal en la F1 actual.
2- Resistencia por fricción. La fuerza de fricción es la oposición al movimiento que se produce cuando dos cuerpos que se desplazan se ponen en contacto entre si. Se da en todos los medios conocidos (sólidos, líquidos y gaseosos). En el caso que nos ocupa esta resistencia se produce cuando el fluido (aire) se pone en contacto con la superficie del objeto (carrocería) e interactúa con él. A este tipo de resistencia se le llama fricción dinámica, por existir movimiento y es de gran importancia en aeroplanos, barcos y aquellos vehículos que se mueven a gran velocidad aunque en estos últimos, su factor no es tan importante a bajas velocidades ya que el rozamiento de las ruedas con el suelo presenta valores muy superiores pero siempre hay que tenerlo en cuenta, sobre todo cuando se aumenta la velocidad.
Si tuviera que elegir una imagen que mostrara los efectos que puede llegar a sufrir un objeto por la acción de la fricción no tengo duda, elegiría esta: una espectacular lluvia de estrellas.

Si dejamos a un lado la velocidad, la fricción dinámica depende fundamentalmente dos factores:

A- Del estado que presente la superficie del objeto. Si están lisas y bien pulidas tendrán valores de resistencia por fricción menores que si están rugosas. Conseguir la perfección es imposible de ahí que siempre esté presente. En la F1 todas las superficies están pulidas y se cuida con esmero. No resulta extraño ver como los mecánicos limpian cuidadosamente los alerones y la carrocería de los monoplazas cuando están parados.

B- La viscosidad del fluido por donde tiene que transitar el objeto. La viscosidad es la propiedad que presenta todo fluidos, y se define como la resistencia que tienen sus moléculas a ser a separadas y esta relacionada con las fuerzas de cohesión que vimos al principio. Si la unión entre las moléculas es alta la fuerza que tenemos que ejercer para separarlas es mayor. Este caso se da en los fluidos con viscosidad elevada. Un ejemplo y se entiende todo mejor.

 Seguramente todos hemos revuelto alguna vez una jarra de agua con una cuchara. La resistencia que ofrece el líquido al movimiento de nuestra mano es, para expresarlo de alguna manera, normal. Pero ¿alguien intentó revolver una jarra llena de miel? El trabajo es enorme. Lo mismo ocurre cuando estamos en la playa e intentamos andar dentro del agua. Cuesta ¿verdad? Esto nos indica que a mayor índice de viscosidad, mayor resistencia.
Muchos piensan que viscosidad y densidad es lo mismo pero no lo es. Aunque parece lógico pensar que algo denso también ha de ser viscoso, la densidad y la viscosidad no se relacionan de ninguna manera significativa. Las sustancias de igual densidad pueden tener una amplia variedad de viscosidades.

Aunque parezca mentira en el aire, como fluido que es también se producen variaciones de viscosidad. Las variaciones son menores que en el ejemplo anterior pero también existen.

Usaré el mismo ejemplo de antes para verlo. Pista a nivel del mar con ambiente muy frío. En este caso tendremos valores de resistencia aerodinámica por fricción inferiores a los que se darían si estuviera rodando en la misma pista con una temperatura en el ambiente de 40ºC. La viscosidad del aire aumenta cuando lo hace la temperatura
A simple vista nos puede parecer que la fricción es un efecto "secundario" si es comparado con la resistencia por forma o, como veremos posteriormente, por la de presión pero no es así. El frotamiento entre un objeto sólido y un fluido provoca ciertos fenómenos que son vitales en la aerodinámica para mejorar el rendimiento de un vehículo, llámese avión, barco, nave espacial o monoplaza de F1 y es la capa límite que en el segundo artículo de la serie trataré en profundidad.

B- Resistencia por presión
Hemos visto que como la resistencia de forma y la fricción son capaces de restar velocidad al coche, pero no son las únicas. Ahora entra en escena un nuevo personaje,  la resistencia por presión, responsable principal de gran parte de la reducción de la eficiencia aerodinámica de un coche. En la actualidad camiones y autobuses son los vehículos que peor rendimiento aerodinámico tienen con diferencia y se debe sobre todo a este tipo de resistencia. Su gran superficie frontal impide mucho su avance pero aunque nos pueda resultar extraño,  ese es el menor de los problemas. Lo peor se sitúa detrás.

Se denomina resistencia de presión a la resistencia al avance producido sobre los objetos inmersos en un fluido al generarse un diferencial de presiones entre una zona de alta presión situada en la parte frontal (presión de estancamiento), y una zona de baja presión que se produce en la parte posterior cuando el flujo se separa del objeto (succión de cola o resistencia de remolino).

Para saber cómo se origina este diferencial os pediré que imaginéis un cine repleto de espectadores. Cada uno está situado en su asiento y no molestan a nadie lado salvo que se pongan a contar el final con el de al lado. Cada espectador equivale a una molécula de aire que está en reposo.  Cuando termina la película todos se dirigen hacia la puerta con ansias de ser los primeros en salir pero la puerta tiene unas medidas fijas y no todas las personas pueden salir a la vez.
¿Qué ocurre entonces? que la gente se apelotona y se juntan unas contra otras para intentar salir. Eso mismo hacen las moléculas de aire cuando chocan contra el camión. Como las primeras no son capaces de sortear fácilmente su frontal son atropelladas por las que vienen después, generando así un aumento de presión entre ellas. En esta imagen se representa las altas presiones en color rojo.

Ahora vamos al otro extremo. La succión de cola se produce cuando  el aire  no es capaz de llenar y ocupar ordenadamente el espacio que existe por detrás de los objetos que ofrecen gran resistencia aerodinámica. Como las moléculas de aire no pueden llegar normalmente a la parte trasera del camión porque su gran superficie frontal se lo impide se origina un vacío (bajas presiones, pintadas de azul) que succiona  el aire situado en su entorno cercano para poder igualar las presiones, originando así un remolino de aire y sobre todo resistencia. Siempre que se genera un aumento de presión en un lado se produce un descenso de la presión (depresión) en otro.

Crear una depresión puede ser una ventaja o un inconveniente dependiendo del sitio donde se produzca. Si se crea en la parte inferior de un alerón es muy positivo, origina downforce pero si lo hace detrás de un vehículo no ya que produce arrastre. ¿Cómo?  Vamos a verlo.
La naturaleza es sabia y siempre busca los puntos de equilibrio. Un núcleo de bajas presiones, el famoso  vacío, es zona de inestabilidad. Para conseguir el equilibrio adecuado hay que eliminar ese punto inestable y eso se consigue igualando la presión con el entorno. Para lograrlo, la depresión debe arrastrar consigo un cierto número de moléculas del entorno para llenar ese hueco, pero ella no entiende de objetos.
Si encuentra sólo aire en su cercanía tira de él para encontrar el equilibrio al igual que sucede cuando abrimos un bote de conservas que está envasado al vacío, pero si en lugar de aire encuentra por ejemplo la parte trasera de un camión, como vemos en la imagen de arriba, también arrastrará de ella. El problema radica en que siempre que el vehículo esta en movimiento mantendrá esa zona de bajas presiones detrás, nunca conseguirá anularla salvo que se detenga. 
Para comprender mejor lo que estoy diciendo sólo os dejo un par de datos; cerca del 80% de la resistencia generada por un camión  proviene de la resistencia de presión, el resto de la fricción. Casi nada. La succión de cola o de resistencia de remolino constituye un aspecto muy importante en el diseño de barcos, automóviles y aeroplanos, y los diseñadores dedican el mismo tiempo en la aerodinámica de la parte posterior de tales vehículos como en la parte anterior.
Ahora que sabéis cómo funciona el sistema quiero valorar vuestros conocimientos. Os pediré que analicéis la imagen de arriba  donde se muestran dos modelos de camiones. El primero de ellos tiene una estructura convencional mientras que el segundo ha sido diseñado con formas más aerodinámicas y lleva incluido en su parte trasera elementos que reducen la succión de cola. ¿Se aprecian alguna diferencia?
Efectivamente, veo que sois unos alumnos aplicados. Como habéis comprobar la zona azulada  del segundo camión ha menguado y la intensidad de su color es menor. Estos datos indican que el arrastre generado  ha disminuido considerablemente.

No todo es negativo, hay quienes obtienen rendimiento positivo de esta succión.  Los pilotos de la Nascar saben mucho de eso. La técnica se llama "viajar en succión" y consiste en pegar literalmente el morro del coche con la parte trasera del que le precede. Con ello se consigue  que la succión de cola desaparezca ya que no hay espacio literal para formar la zona de vacío, a la vez que el coche que va situado detrás no tiene resistencia frontal.

¿Qué se consigue? Que dos o más coches así posicionados sean más veloces que uno  que esté aislado. Tanto en el motociclismo como en la F1 saben de sus efectos pero no llegan a esos extremos. Uno de los métodos más buscados para facilitar el adelantamiento  es acercarte lo suficiente al de delante para encontrar el rebufo. Con esta maniobra se consigue lo mismo,  entrar en el túnel de succión, reducir la resistencia frontal y aumentar así la velocidad punta al final de recta. Con esta técnica se necesita menos potencia para alcanzar la misma velocidad que el vehículo que te antecede y te queda un extra  para acelerar cuando salen de la estela del vehículo.
El equipo Ferrari intentó en alguna ocasión sacar provecho en Monza del rebufo en la calificación de sus pilotos sabedores de no contar con un motor potente pero si queréis ver quien saca también provecho de este efecto echarle un vistazo al video, pero no se os ocurra imitarlo.

Obtener valores numéricos de las presiones en los diferentes puntos del vehículo ayuda a cuantificar y analizar todas las fuerzas de presión que actúan sobre su superficie. Si las sumáramos obtenemos como resultante una fuerza neta total, que estará aplicada en un punto imaginario, denominado centro de presiones que ayudan a los ingenieros a obtener el valor de la fuerza de arrastre que se opone al avance del vehículo y la fuerza de adherencia (downforce) o sustentación, que nos indica si el vehículo tenderá a adherirse al suelo (coches) o a separarse de él (aviones).
Este tipo de pruebas se hacen constantemente en la F1. Es raro no ver en pretemporada o en los entrenamientos libres de los viernes  algún coche montando esos extraños emparrillados llenos de sensores, las llamadas sondas o tubos de Pitot que se encargan de medir la presión en cada punto donde están situadas.

Dada la complejidad de los efectos del aire sobre el vehículo y con la finalidad de facilitar su estudio, se hace necesario cuantificar numéricamente los diferentes valores y unificarlos en una variable, los llamados coeficientes. Estos coeficientes permitirán predecir los efectos aerodinámicos sobre un cuerpo determinado (prototipo) a partir de las mediciones obtenidas sobre el modelo conocido. Son varios los coeficientes empleados en  aerodinámica pero en el más no interesa es el de arrastre (Cx). Lo veremos en la próxima entrega junto al concepto de capa límite, fundamental en aerodinámica para evitar el efecto succión, pero eso será otra historia.