Trabajo de Aerodinamica f1

Este archivo es basado en conceptos y definiciones cuyo autor es el matemático e ingeniero Timoteo Briet Blane, a quien agradecemos por

compartir sus conocimientos con los amantes de la v elocidad.

INTRODUCCION

Ayrton Senna dijo: "El coche debe es una extension del cuerpo". El mejor de todos los tiempos nos sorprende otra vez con su sabiduria, el aire es tan vital para nosotros como el agua, y siendo el coche una extension de nosotros, podemos decir que este es igual de vital para el coche ya que el comportamiento que tenga el aire alrededor del coche es vital para su funcionamiento, ademas los motores dependen del aire por ser atmosfericos; asi que los F1 son parte de la humanidad de sus conductores, siendo el aire lo que los impulsa a la gloria.

En esta obra, no se pretende profundizar en conocimientos de ingeniería complejos que involucren métodos numéricos avanzados, apenas encontraras 1 o 2 ecuaciones básicas que serán explicadas, este trabajo fue ideado para dar una idea muy generalizada del comportamiento aerodinámico de un F1 y como los ingenieros, junto a los pilotos, se las ingenian para extraer mas del 100% de los monoplazas con los que trabajan, se debe considerar a un bolido de F1 como un paquete en conjunto y complejo que involucra todo tipo de fenómenos y soluciones de índole aerodinámica, hoy día, aunque se le ha restado importancia con las reformas en el reglamente técnico de la FIA, se puede decir que la aerodinámica sigue siendo la pieza fundamental del buen desempeño de un coche de F1.

La aerodinamica es una ciencia o rama de la Física la cual por medio de cálculos de fluidos y presión de temperatura lleva a cabo el entendimiento y modificación de el comportamiento de fluidos gaseosos en torno a un area o situación en especifica; por lo tanto también se considera como la rama de la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando existe un movimiento relativo entre éstos y el fluido que los baña, siendo éste último un gas y no un líquido, caso

éste que se estudia en hidrodinámica, la aerodinamica es uno de los factores mas influyentes en la F1. Cuando uno considera la Aerodinámica tiende a pensar en la Ingeniería Aeroespacial, es un hecho que la aerodinámica es una rama de la Mecánica de Fluidos y que fue desarrollada coda a codo con las aeronaves y que es una disciplina inconcebible sin las mismas. Y efectivamente así es; uno puede exigirle a un ingeniero aeroespacial un avanzado conocimiento en aerodinámica. No obstante, cuando uno habla de aerodinámica debe ensanchar su mente y empezar a considerar otros procesos o aspectos de las ciencias aplicadas que requieren de estudios aerodinámicos. Estamos hablando de procesos a “altas velocidades“. Con esa visión ampliada uno puede incluir casi cualquier vehículo, especialmente automóviles, edificios afectados por el viento, transporte en conductos, procesos internos en motores y un largo etcétera. De este modo, rápidamente se nos ocurre considerar la Fórmula 1. Normalmente los coches de Fórmula 1 alanzan velocidades de hasta 350 km/h en algunos circuitos, de hecho, antes del recorte de prestaciones del motor, velocidades de 370 km/h eran fácilmente alcanzables en las rectas de algunos circuitos. Por consiguiente, la media de velocidad de estos bólidos no es inferior a los 160 km/h. No hay duda entonces de que la aerodinámica juega en este juego, un papel muy importante. Aunque parezca contradictorio hicieron falta casi 20 años para que los ingenieros de la Fórmula 1 se dieran cuenta de la gran importancia que tenía la aerodinámica. Por ello, los principios que permiten volar a un avión son fácilmente aplicables a un coche de carreras. La única diferencia se encuentra en la forma en la que el ala o alerón está montado: justo al revés produciendo downforce en vez de Sustentación.

PARTE 1 – CONCEPTOS BASICOS Empezare este trabajo definiendo el concepto de Fluidos, sus propiedades y ciencias que se encargan de estudiarlos para aplicar la ingeniería desde el punto de vista de la aerodinámica.

FLUIDOS

En la F1 entendemos por fluido al flujo de aire que esta en constante contacto con el coche, y es uno de los factores que determina el desempeño de este deacuerdo con la aerodinamica que haya entre ambos; una vez visto "Introduccion a al aerodinamica" entenderemos que dicha cinecia estudia el comportamiento de los fluidos gaseosos en cualquier momento o cirscuntancia; ademas uno de los fundamentos de la ingenieria mecanica es la mecanica de fluidos, que viene dada por el estudio y comprension de dichos elementos (vease Ingenieria basica); es por ello que me adentrare en la aerodinamica iniciando por fluidos. Un fluido es todo aquel material, que se deforma de manera contigua ante una fuerza, no importa de qué valor sea ésta. Un trozo de hierro, posee una fuerza mínima ante la cual empieza a deformarse, cosa que no pasa con el aire, por ejemplo. Muchas veces atribuimos la definición de fluido, a otros fenómenos que ocurren a nuestro alrededor: decimos que el tráfico de una ciudad es más fluido que otro (es falso), en cuanto no hay atascos y los coches van más sueltos, por ejemplo; son asignaciones que hacemos casi inconscientemente, pero que en cierta forma, son válidas.

Para entender el comportamiento de dichos fluidos debemos entender las propiedades de estos y las leyes por medio de las cuales se rige la aerodinamica (desde el punto de vista de la competicion), veasen propiedades de fluidos.

MECANICA DE FLUIDOS

La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo

Hipótesis básicas

Como en todas las ramas de la ciencia, en la mecánica de fluidos se parte de hipótesis en función de las cuales se desarrollan todos los conceptos. En particular, en la mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes:

• conservación de la masa y de la cantidad de movimiento. • primera y segunda ley de la termodinámica.

Hipótesis del medio continuo

La hipótesis del medio continuo es la hipótesis fundamental de la mecánica de fluidos y en general de toda la mecánica de medios continuos. En esta hipótesis se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que las propiedades del fluido (densidad, temperatura, etc.) son funciones continuas.

La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen. Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, el material en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo). En el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la mecánica estadística para predecir el comportamiento de la materia. Ejemplos de situaciones donde la hipótesis del medio continuo no es válida pueden encontrarse en el estudio de los plasmas.

Concepto de partícula fluida

Este concepto esta muy ligado al del medio continuo y es sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se llama partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa elemental ha de ser lo suficientemente grande como para contener un gran número de moléculas, y lo suficientemente pequeña como para poder considerar que en su interior no hay variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades. Es importante tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad macroscópica del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas moléculas. Así pues un determinado punto del espacio en distintos instantes de tiempo estará ocupado por distintas partículas fluidas.

Descripciones lagrangiana y euleriana del movimient o de un fluido

A la hora de describir el movimiento de un fluido existen dos puntos de vista. Una primera forma de hacerlo es seguir a cada partícula fluida en su movimiento, de manera que buscaremos unas funciones que nos den la posición, así como las propiedades de la partícula fluida en cada instante. Ésta es la descripción Lagrangiana. Una segunda forma es asignar a cada punto del espacio y en cada instante un valor para las propiedades o magnitudes fluidas sin importar la partícula fluida que en dicho instante ocupa ese punto. Ésta es la descripción Euleriana, que no está ligada a las partículas fluidas sino a los puntos del espacio ocupados por el fluido. En esta descripción el valor de una propiedad en un punto y en un instante determinado es el de la partícula fluida que ocupa dicho punto en ese instante.

La descripción eulerianade casos y aplicaciones es más útil. Usaremos dicha descripción para la obtención de las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos

Las ecuaciones que rigaplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de Reynolds y el teorema de la divergencia (o teoreecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la energía. Estas ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de NavierStokes (las ecuaciones de Euler son un caso parNavier-Stokes para fluidos sin viscosidad).

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones busresolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por ordenador.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.Para entender el comportamiento de los fluidos debemos entender sus propiedades o caracteristicas:

Densidad:

Todos los fluidos, incluido el aire, están formados por un número extremadamente grande de moléculas; todas ellas están ligadas entre sí, y separadas ciertas distancias (no todas iguales); cuanto más unidas están todas las moléculas, decimos que el fluido posee más densidad que otro; lógicamente, un fluido con más densidad que otro, pesa

La descripción euleriana es la usada comúnmente, puesto que en la mayoría de casos y aplicaciones es más útil. Usaremos dicha descripción para la obtención de las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos

Las ecuaciones que rigen toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de Reynolds y el teorema de la divergencia (o teorema de Gauss) para obtener las ecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la

ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de NavierStokes (las ecuaciones de Euler son un caso particular de la ecuaciones de

Stokes para fluidos sin viscosidad).

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones buscando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.tamiento de los fluidos debemos entender sus propiedades o


es la usada comúnmente, puesto que en la mayoría de casos y aplicaciones es más útil. Usaremos dicha descripción para la obtención de las ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

en toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de

ma de Gauss) para obtener las

Las tres ecuaciones fundamentales son: la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la

ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de Navier-

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No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos

cando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por

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más, por cuanto tiene mayor masa, al tener más moléculas; por otra parte, estas consideraciones, no tiene valor, si no se referencian respecto un volumen; por tanto, definimos densidad, como la cantidad de moléculas por unidad de volumen. Sea “V” el volumen y “m” la masa; la densidad se define como: densidad=m/V. Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI): kilogramo por metro cúbico (kg/m³).gramo por centímetro cúbico (g/cm³).kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decímetro cúbico. El agua tiene una densidad próxima a 1 kg/L (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/mL).gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³).Para los gases suele usarse el gramo (g/L), con la finalidad de simplificar con la constante universal de los gases ideales:

Unidades usadas en el Sistema Anglosajón de Unidades: onza por pulgada cúbica (oz/in3)libra por pulgada cúbica (lblibra por pie cúbico (lb/ft3)libra por yarda cúbica (lb/yd3)libra por galón (lb/gal)libra por bushel americano (lb/bu)slug por pie cúbico. Notacion:

La densidad es un parámetro muy importante, por cuanto caracteriza de forma esencial, cualquier fluido, y más aún, lo caracteriza desde el punto de vista termodinámico, cosa muy importante por ejemplo, para conocer la eficiencia del motor. A mayor densidad, la cantidad de aire es mayor (muchas moléculas) y por tanto la eficiencia del motor es mveremos) el motor funciona peor que los días de frío; o lo que es lo mismo: a principio del día, los motores funcionan mejor, que durante las horas centrales del día. Densidad relativa: La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades).

donde ρr es la densidad relativa,

más, por cuanto tiene mayor masa, al tener más moléculas; por otra parte, estas consideraciones, no tiene valor, si no se referencian respecto un volumen; por tanto,

mos densidad, como la cantidad de moléculas por unidad de volumen. Sea “V” el volumen y “m” la masa; la densidad se define como: densidad=m/V.

Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI):

kilogramo por metro cúbico (kg/m³).r centímetro cúbico (g/cm³).

kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decímetro cúbico. El agua tiene una densidad próxima a 1 kg/L (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/mL).gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³).Para los gases suele usarse el gramo por decímetro cúbico (g/dm³) o gramo por litro (g/L), con la finalidad de simplificar con la constante universal de los gases ideales:

Unidades usadas en el Sistema Anglosajón de Unidades:

onza por pulgada cúbica (oz/in3)libra por pulgada cúbica (lblibra por pie cúbico (lb/ft3)libra por yarda cúbica (lb/yd3)libra por galón (lb/gal)libra por bushel americano (lb/bu)slug por pie cúbico.

La densidad es un parámetro muy importante, por cuanto caracteriza de forma uier fluido, y más aún, lo caracteriza desde el punto de vista

termodinámico, cosa muy importante por ejemplo, para conocer la eficiencia del motor.

A mayor densidad, la cantidad de aire es mayor (muchas moléculas) y por tanto la eficiencia del motor es mayor; de ahí, que los días de calor (baja densidad como veremos) el motor funciona peor que los días de frío; o lo que es lo mismo: a principio del día, los motores funcionan mejor, que durante las horas centrales del día.

Densidad relativa:

relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin

r es la densidad relativa, ρ es la densidad de la sustancia, y ρ0 es la den

más, por cuanto tiene mayor masa, al tener más moléculas; por otra parte, estas consideraciones, no tiene valor, si no se referencian respecto un volumen; por tanto,

mos densidad, como la cantidad de moléculas por unidad de volumen. Sea “V” el volumen y “m” la masa; la densidad se define como: densidad=m/V.

Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI):

kilogramo por metro cúbico (kg/m³). r centímetro cúbico (g/cm³).

kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decímetro cúbico. El agua tiene una densidad próxima a 1 kg/L (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/mL). gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³).

por decímetro cúbico (g/dm³) o gramo por litro (g/L), con la finalidad de simplificar con la constante universal de los gases ideales:

Unidades usadas en el Sistema Anglosajón de Unidades:

onza por pulgada cúbica (oz/in3) libra por pulgada cúbica (lb/in3) libra por pie cúbico (lb/ft3) libra por yarda cúbica (lb/yd3) libra por galón (lb/gal) libra por bushel americano (lb/bu) slug por pie cúbico.

La densidad es un parámetro muy importante, por cuanto caracteriza de forma uier fluido, y más aún, lo caracteriza desde el punto de vista

termodinámico, cosa muy importante por ejemplo, para conocer la eficiencia del motor.

A mayor densidad, la cantidad de aire es mayor (muchas moléculas) y por tanto la ayor; de ahí, que los días de calor (baja densidad como

veremos) el motor funciona peor que los días de frío; o lo que es lo mismo: a principio del día, los motores funcionan mejor, que durante las horas centrales del día.

Densidad relativa:

relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin

es la densidad de la sustancia, y ρ0 es la densidad

de referencia o absoluta. Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es de Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

Presión:

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:

En un caso general donde la fuerza puede tenerdistribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. Esta característica, está muy unida a la densidadde presiones: la atmosférica y la no atmosférica. La presión atmosférica, es la fuerza (o peso) que hay sobre cierto punto o cuerpo, debida a la cantidad de moléculas de aire que hay sobre dicho punto o cuerpo.

de referencia o absoluta.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es de

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa,

erza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión.

Esta característica, está muy unida a la densidad. Podríamos decir que existen 2 tipos de presiones: la atmosférica y la no atmosférica.

La presión atmosférica, es la fuerza (o peso) que hay sobre cierto punto o cuerpo, debida a la cantidad de moléculas de aire que hay sobre dicho punto o cuerpo.

de referencia o absoluta.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m3, es decir, 1 kg/L.

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, erza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre

una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:

cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión.

. Podríamos decir que existen 2 tipos de presiones: la atmosférica y la no atmosférica.

La presión atmosférica, es la fuerza (o peso) que hay sobre cierto punto o cuerpo, debida a la cantidad de moléculas de aire que hay sobre dicho punto o cuerpo.

Esta columna de aire, se sitúa desde dicho cuerpo, hasta el fin de la atmósfera. Otro de los factores importantes relacionados en cierta forma con la presión, es la altura con respecto al nivel del mar; cuanto más altura tengamos, el aire es menos denso, por tanto la presión atmosférica es menor, y debido a todo ello, un cuerpo pesa menos cuanta a más altura midamos ese peso; recordemos que el peso es una fuerza, que equivale a la masa multiplicada por la aceleración de la gravedad, y se mide en Newtons (no hay que confundir peso y masa). Por todo lo dicho, a mayor presión, las moléculas de aire están más unidas, la densidad es mayor y de esta forma y como consecuencia de ello, el motor, por ejemplo, es más eficiente. La fuerza no atmosférica, es la presión relativa; es aquella presión que no tiene en cuenta la presión atmosférica; la suma de ambas, se denomina presión absoluta; la presión relativa, por ejemplo, es la causada por la propia dinámica del aire, y es básica, para poder diseñar un coche de competición, entre otras cosas, porque la presión atmosférica, hagamos lo que hagamos, siempre va estar presente y no podemos prescindir de ella. Ambas presiones, son las que se encargan de mantener más o menos unidas a las moléculas de aire; de esta forma, al aumentar la presión, aumenta la densidad y viceversa; más adelante, veremos las dependencias entre todas ellas. Unidades de medida y presión La presión atmosférica es de aproximadamente de 101.300 pascales (101,3 kPa), a nivel del mar . En la práctica 10 M.c.a. =1 Bar = 1 Atm = 100 kPa = 1 kg/cm² Unidades de presión y sus factores de conversión 1 Pa (N/m²)= Pascal 1 bar (daN/cm²) = bar 1 N/mm² = N/mm² 1 kp/m² = kp/m² 1 kp/cm² = kp/cm² 1 atm (760 Torr) = atm 1 Torr (mmHg) = Torr Las obsoletas unidades manométricas de presión, como los milímetros de mercurio, están basadas en la presión ejercida por el peso de algún tipo estándar de fluido bajo cierta gravedad estándar. Las unidades de presión manométricas no deben ser utilizadas para propósitos científicos o técnicos, debido a la falta de repetibilidad inherente a sus definiciones. También se utilizan los milímetros de columna de agua (mm c.d.a.) Propiedades de la presión en un medio fluido 1. La fuerza asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de acción reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción. 2. La superficie libre de un líquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio

constante) es siempre horizontal. Eso es cierto sólo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad no es constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horizontal. 3. En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presión o superficie isobárica. Aplicaciones Frenos hidráulicos Los frenos hidráulicos de los automóviles son una aplicación importante del principio de Pascal. La presión que se ejerce sobre el pedal del freno se transmite a través de todo el líquido a los pistones los cuales actúan sobre los discos de frenado en cada rueda multiplicando la fuerza que ejercemos con los pies. Refrigeración La refrigeración se basa en la aplicación alternativa de presión elevada y baja, haciendo circular un fluido en los momentos de presión por una tubería. Cuando el fluido pasa de presión elevada a baja en el evaporador, el fluido se enfría y retira el calor de dentro del refrigerador. Como el fluido se encuentra en un ciclo cerrado, al ser comprimido por un compresor para elevar su temperatura en el condensador, que también cambia de estado a líquido a alta presión, nuevamente esta listo para volverse a expandir y a retirar calor (recordemos que el frío no existe es solo una ausencia de calor). Llantas de los automóviles Se inflan a una presión de 310.263,75 Pa, lo que equivale a 30 psi (utilizando el psi como unidad de presión relativa a la presión atmosférica). Esto se hace para que las llantas tengan elasticidad ante fuertes golpes (muy frecuentes al ir en el automóvil).

Viscosidad:

Cuántas veces hemos confundido densidad y viscosidad; un aceite es menos denso que el agua (por eso flota en ella), pero es más viscoso. La viscosidad es la resistencia que posee todo fluido a deformarse por la acción de una fuerza cualquiera. No tiene nada que ver con la densidad, que es la que cuantifica la cantidad de moléculas por unidad de volumen; la viscosidad es una propiedad digamos dinámica; mientras no existe movimiento, no se hace patente y no se puede cuantificar. La viscosidad es la propiedad del aire más importante; sin su existencia, no existiría ningún fenómeno dinámico, tal como la sustentación por ejemplo. Como veremos más adelante, es la responsable directa de la existencia de la llamada capa límite y sin ella, no existirían las fuerzas aerodinámicas; de hecho, las ecuaciones que rigen la dinámica del aire, son muy complejas; para resolverlas, existen muchos procedimientos matemáticos, y uno de ellos, es la simplificación de dichas ecuaciones o modelos matemáticos para que sea más fácil el resolverlos; la simplificación inicial (y burda o irreal) es la de suponer que la viscosidad es nula; bajo esta hipótesis, resulta que las turbulencias no existen; el modelo se podrá entonces resolver, pero no es más que una simplificación, no la realidad; en la vida real, el 99.9% de todas las dinámicas de cualquier fluido, son turbulentas. La viscosidad la definimos como la inversa de la fuerza (tiempo) que ofrece todo fenómeno al movimiento o evolución temporal; cualquier fluido, intenta alcanzar el estado de mínima energía; un fluido o en general fenómeno, más “perezoso” que otro, tendrá una viscosidad mayor, puesto que le cuesta más alcanzar dicho estado. Hemos oído hablar o tildar en multitud de ocasiones, al tráfico de automóviles de una ciudad, como viscoso; una de las veces que estuve en una cola de coches, esperando que un semáforo se pusiese en verde para arrancar, observé que pasó cierto tiempo, desde que el disco se puso en verde, hasta que pude mover mi automóvil; si divido dicho tiempo entre la cantidad de coches que tengo delante entre, obtengo “PTr”; éste, es el factor de viscosidad no adimensional; cuanto mayor sea “PTr”, mayor viscosidad tendré.

Medidas de la viscosidad La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o µ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m-1·s-1] ; otras unidades: 1 Poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente del coeficiente de viscosidad dinámica entre la densidad ν = µ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el Stoke(St). Unidades de viscosidad En el SIU (Sistema Internacional de Unidades), la unidad física de viscosidad dinámica es el pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exactamente a 1 N·s/m² o 1 kg/(m·s). La unidad cgs para la viscosidad dinámica es el poise (P), cuyo nombre homenajea al fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). Se suele usar más su submúltiplo el centipoise (cP). El centipoise es más usado debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cP a 20 °C. 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s 1 centipoise = 1 mPa·s Viscosidad cinemática Se obtiene como cociente de la viscosidad dinámica (o absoluta) y la densidad. La unidad en el SI es el (m²/s). La unidad física de la viscosidad cinemática en el sistema CGS es el stoke (abreviado S o St), cuyo nombre proviene del físico irlandés George Gabriel Stokes (1819-1903). A veces se expresa en términos de centistokes (cS o cSt). 1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s

Comparativa para aplicacion: Al relacionar estas propiedades tomando en cuenta todas sus variables podemos tener una vision mas clara del comportamiento del aire sobre un coche, dichos parametros son vitales a la hora de diseñar un coche de competicion, debemos tomar en cuenta que la temperatura del aire y la altura son factores influyentes en el desempeño de un vehiculo, y todos estos valores son utilizados por los ingenieros al momento de hacer una simulacion en CFD o tunel de viento. Tanto la presión, densidad y viscosidad, como otras propiedades quizás menos importantes, están ligadas entre sí; ello significa que el hecho de variar una de ellas, conlleva la variación de las otras; las ecuaciones o expresiones matemáticas que relacionan todas estas variables, se denominan ecuaciones de estado; existen diversos tipos, atendiendo al contexto de trabajo, pero en definitiva, son relaciones entre ellas. Una de las propiedades o mejor dicho, parámetro no intrínseco al propio fluido, es la temperatura; estas ecuaciones de estado, también dependen de la temperatura.

PRINCIPIO DE BERNOULLI.

Esquema del Principio de Bernoulli.

Sabemos que existen 3 tipos de energía: la potencial (por cota o altura), la cinética (por velocidad) y la de presión. Por ello, al tener que conservarse, en todo proceso, la cantidad total de energía, la suma de las 3 energías, ha de permanecer constante. Esa es la ecuación o principio de Bernouilli.

Donde:

• V = velocidad del fluido en la sección considerada. • g = aceleración gravitatoria • z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. • P = presión a lo largo de la línea de corriente. • ρ = densidad del fluido.

Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

• Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona ‘no viscosa’ del fluido.

• Caudal constante • Flujo incompresible, donde ρ es constante. • La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo

irrotacional

De esta forma, si la presión aumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa. Por ello todos hemos oído en alguna ocasión: que la presión es inversa a la velocidad.

Esquema del efecto Venturi

El efecto Venturi, también es una consecuencia directa: si en cierto fenómeno por donde pasa el aire, hay un cambio de sección, por ejemplo de mayor a menor, la cantidad de aire que entra ha de ser la misma que la que sale (cosa lógica por otra parte), con lo que por la sección mayor, la velocidad del aire será menor que la velocidad del mismo aire al pasar por la sección menor. Esto es el efecto Venturi: al aumentar la velocidad, la presión disminuye y viceversa.

Esquema del recorrido del flujo de aire en el efecto Venturi

Por tanto, si observamos la imagen siguiente, en la zona “A” la velocidad es mayor, pues ha de recorrer una distancia mayor, con lo que la presión disminuye. Esta depresión “chupa” el ala hacia arriba en este caso, produciéndose sustentación.

Esquema flujo de aire al paso por un ala

En automovilismo, se invierte la figura y se produce así el empuje contra el suelo. Es decir, en la zona “B” la velocidad será mayor, pues habrá de de recorrer una distancia mayor, con lo que la presión disminuirá. Esta depresión “chupará” el ala hacia abajo en este caso, produciéndose así una fuerza de atracción al piso.

Esquema flujo de aire al paso por un alerón

Ecuación de Bernoulli y la Primera Ley de la Termod inámica

De la primera ley de la termodinámica se puede concluir una ecuación estéticamente parecida a la ecuación de Bernouilli anteriormente señalada, pero conceptualmente distinta. La diferencia fundamental yace en los límites de funcionamiento y en la formulación de cada fórmula. La ecuación de Bernoulli es un balance de fuerzas sobre una partícula de fluido que se mueve a través de una línea de corriente, mientras que la primera ley de la termodinámica consiste en un balance de energía entre los límites de un volumen de control dado, por lo cual es más general ya que permite expresar los intercambios energéticos a lo largo de una corriente de fluido, como lo son las pérdidas por fricción que restan energía, y las bombas o ventiladores que suman energía al fluido. La forma general de esta, llamémosla, "forma energética de la ecuación de Bernoulli" es:

donde:

• γ es el peso espec• W es una medida de la energía que se le suministra al fluido.• hf es una medida de la energía empleada en vencer las fuerzas de

fricción a través del recorrido del fluido.• Los subíndices 1 y 2 indican si los valores están dados para el comienzo

o el final del volumen de control respectivamente.• g = 9,81 m/s2 y gc

Suposiciones

La ecuación arriba escrita es un derivado de la primera ley de la termodinámica para flujos de fluido con las siguientes características .

• El fluido de trabajoconsiderando, tiene una densidad constante.

• No existe cambio de energía interna.

Demostración

Escribamos la primera ley de la termodinámica con un criterio de signos termodinámico conveniente:

Recordando la definición de la entalpía interna y v se conoce como volumen específico

que por la suposiciones declaradas más arriba se puede reescribir como:

dividamos todo entre el término de la aceleración de gravedad

es el peso específico (γ = ρg). es una medida de la energía que se le suministra al fluido.es una medida de la energía empleada en vencer las fuerzas de

ravés del recorrido del fluido. Los subíndices 1 y 2 indican si los valores están dados para el comienzo o el final del volumen de control respectivamente.

c = 1 kg·m/(N·s2)

La ecuación arriba escrita es un derivado de la primera ley de la termodinámica para flujos de fluido con las siguientes características .

fluido de trabajo, es decir, aquél que fluye y que estamos considerando, tiene una densidad constante.

cambio de energía interna.

Escribamos la primera ley de la termodinámica con un criterio de signos termodinámico conveniente:

Recordando la definición de la entalpía h = u + Pv, donde use conoce como volumen específico v = 1 / ρ. Podemos escribir:


dividamos todo entre el término de la aceleración de gravedad

es una medida de la energía que se le suministra al fluido. es una medida de la energía empleada en vencer las fuerzas de

Los subíndices 1 y 2 indican si los valores están dados para el comienzo

La ecuación arriba escrita es un derivado de la primera ley de la termodinámica

, es decir, aquél que fluye y que estamos

Escribamos la primera ley de la termodinámica con un criterio de signos

es la energía . Podemos escribir:


Los términos del lado izquierdo de la igualdad son renergía a través del volumen de control considerado, es decir, son las entradas y salidas de energía del fluido de trabajo en formas de trabajo (término relativo al trabajo llamaremos h y tiene unidades de longitud, al igual que quién sale del sistema, ya que consideraremos que sólo se intercambia calor por vía de la fricción entre el fluido de trabajo y las paredes del conducto que lo contiene. Así la ecuación nos queda:

o como la escribimos originalmente:

Así, podemos observar que el principio de bernoulli es una consecuencia directa de la primera ley de la termodinámica, o si se quiere, otra forma de esta ley. En la primera ecuación presese había reducido a tan solo una línea de corriente sobre la cual no habían intercambios de energía con el resto del sistema, de aquí la suposición de que el fluido debería ser ideal, es decir, sin viscosidad niexiste un término hf entre las distintas líneas de corriente.

Aplicaciones del Principio de Bernoulli.

Airsoft Las réplicas usadas en este juego suelen incluir un sistema llamado HopUpque provoca que la bola sea proyectada realizando un efecto circular, lo que aumenta el alcance efectivo de la réplica. Este efecto es conocido como efecto Magnus, la rotación de la bola provoca que la velocidad del flujo por encima de ella sea mayor que por debajo, y con ello la aparición de una diferencia de presiones que crea la fuerza sustentadora, que hace que la bola tarde más tiempo en caer.

Chimenea Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.

Tubería La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión.

Los términos del lado izquierdo de la igualdad son relativos a los flujos de energía a través del volumen de control considerado, es decir, son las entradas y salidas de energía del fluido de trabajo en formas de trabajo (wtérmino relativo al trabajo w / g consideraremos que entra al siste

y tiene unidades de longitud, al igual que q / g, que llamaremos quién sale del sistema, ya que consideraremos que sólo se intercambia calor por vía de la fricción entre el fluido de trabajo y las paredes del conducto que lo

. Así la ecuación nos queda:

o como la escribimos originalmente:

Así, podemos observar que el principio de bernoulli es una consecuencia directa de la primera ley de la termodinámica, o si se quiere, otra forma de esta ley. En la primera ecuación presentada en este artículo el volumen de control se había reducido a tan solo una línea de corriente sobre la cual no habían intercambios de energía con el resto del sistema, de aquí la suposición de que el fluido debería ser ideal, es decir, sin viscosidad ni fricción interna, ya que no

entre las distintas líneas de corriente.

Aplicaciones del Principio de Bernoulli.

Las réplicas usadas en este juego suelen incluir un sistema llamado HopUpque provoca que la bola sea proyectada realizando un efecto circular, lo que aumenta el alcance efectivo de la réplica. Este efecto es conocido como efecto Magnus, la rotación de la bola provoca que la velocidad del flujo por encima de

por debajo, y con ello la aparición de una diferencia de presiones que crea la fuerza sustentadora, que hace que la bola tarde más

Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.

ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión.

elativos a los flujos de energía a través del volumen de control considerado, es decir, son las entradas

w) y calor (q). El consideraremos que entra al sistema, lo

, que llamaremos hf quién sale del sistema, ya que consideraremos que sólo se intercambia calor por vía de la fricción entre el fluido de trabajo y las paredes del conducto que lo

Así, podemos observar que el principio de bernoulli es una consecuencia directa de la primera ley de la termodinámica, o si se quiere, otra forma de esta

ntada en este artículo el volumen de control se había reducido a tan solo una línea de corriente sobre la cual no habían intercambios de energía con el resto del sistema, de aquí la suposición de que

fricción interna, ya que no

Las réplicas usadas en este juego suelen incluir un sistema llamado HopUp que provoca que la bola sea proyectada realizando un efecto circular, lo que aumenta el alcance efectivo de la réplica. Este efecto es conocido como efecto Magnus, la rotación de la bola provoca que la velocidad del flujo por encima de

por debajo, y con ello la aparición de una diferencia de presiones que crea la fuerza sustentadora, que hace que la bola tarde más

Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el

viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia,

ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del

Natación La aplicación dentro de este deporte se vemanos del nadador cortan el agua generando una menor presión y mayor propulsión.

Sustentación de avionesEl efecto Bernoulli es también en parte el origen de la sustentación de los aviones. Gracias a la forma y orientacióes curva en su cara superior y está angulada respecto a las líneas de corriente incidentes. Por ello, las líneas de corriente arriba del ala están mas juntas que abajo, por lo que la velocidad del aire es mayor y la ala; al ser mayor la presión abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia arriba llamada sustentación.

Movimiento de una pelota o balón con efectoSi lanzamos una pelota o un balón con efecto, es decir rotando sobre sí mismo, se desvía hacia un lado. También por el conocido efecto Magnus, típico es el balón picado, cuando el jugador mete el empeine por debajo del balón causándole un efecto rotatorio de forma que este traza una trayectoria parabólica. Es lo que conocemos como va

Carburador de automóvilEn un carburador de automóvil, la presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Al disminuir la presión, la gasolina fluye, se vaporiza y se mezcla con la corrie

Flujo de fluido desde un tanqueLa tasa de flujo está dada por la ecuación de Bernoulli.

Dispositivos de VenturiEn oxigenoterapia, la mayor parte de sistemas de suministro de débito alto utilizan dispositivos de tipo Venturi, el cual esta basBernoulli.

CAPA LIMITE.

En la evolución del aire alrededor de un cuerpo cualquiera, dicho aire se pega sobre el cuerpo, creando una capa muy fina de moléculas en principio. Al discurrir sobre esta fina capa, más moléculas del mismo aire, y debido a la viscosidad principalmente,

La aplicación dentro de este deporte se ve reflejado directamente cuando las manos del nadador cortan el agua generando una menor presión y mayor

Sustentación de avionesEl efecto Bernoulli es también en parte el origen de la sustentación de los aviones. Gracias a la forma y orientación de los perfiles aerodinámicos, el ala es curva en su cara superior y está angulada respecto a las líneas de corriente incidentes. Por ello, las líneas de corriente arriba del ala están mas juntas que abajo, por lo que la velocidad del aire es mayor y la presión es menor arriba del ala; al ser mayor la presión abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia arriba llamada sustentación.

Movimiento de una pelota o balón con efectoSi lanzamos una pelota o un balón con efecto, es decir rotando sobre sí mismo, se desvía hacia un lado. También por el conocido efecto Magnus, típico es el balón picado, cuando el jugador mete el empeine por debajo del balón causándole un efecto rotatorio de forma que este traza una trayectoria parabólica. Es lo que conocemos como vaselina.

Carburador de automóvilEn un carburador de automóvil, la presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Al disminuir la presión, la gasolina fluye, se vaporiza y se mezcla con la corriente de aire.

Flujo de fluido desde un tanqueLa tasa de flujo está dada por la ecuación de Bernoulli.

Dispositivos de VenturiEn oxigenoterapia, la mayor parte de sistemas de suministro de débito alto utilizan dispositivos de tipo Venturi, el cual esta basado en el principio de

CAPA LIMITE.


reflejado directamente cuando las manos del nadador cortan el agua generando una menor presión y mayor

Sustentación de aviones El efecto Bernoulli es también en parte el origen de la sustentación de los

n de los perfiles aerodinámicos, el ala es curva en su cara superior y está angulada respecto a las líneas de corriente incidentes. Por ello, las líneas de corriente arriba del ala están mas juntas que

presión es menor arriba del ala; al ser mayor la presión abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia

Movimiento de una pelota o balón con efecto Si lanzamos una pelota o un balón con efecto, es decir rotando sobre sí mismo, se desvía hacia un lado. También por el conocido efecto Magnus, típico es el balón picado, cuando el jugador mete el empeine por debajo del balón causándole un efecto rotatorio de forma que este traza una trayectoria

Carburador de automóvil En un carburador de automóvil, la presión del aire que pasa a través del cuerpo del carburador, disminuye cuando pasa por un estrangulamiento. Al disminuir la

nte de aire.

Flujo de fluido desde un tanque

Dispositivos de Venturi En oxigenoterapia, la mayor parte de sistemas de suministro de débito alto

ado en el principio de


éstas últimas ralentizan su velocidad, debido a que discurren sobre otras moléculas; así capa tras capa, se forma una capa de moléculas de aire, cuya última, posee ya casi la misma velocidad del aire que circunda al cuerpo; esta capa se denomina capa límite; técnicamente se define capa límite y su espesor, como el espesor a partir del cual, la velocidad es del 99% del flujo real.

En cuerpos relativamente pequeños como lo es un coche de competición, suele tener como máximo unos pocos milímetros, y ni tan siquiera tanto…. todo depende de la longitud del cuerpo, en relación al sentido de la dinámica; por esta razón, en trenes y al final de ellos, la capa límite puede llegar hasta 0.5 metros; de hecho y si lo pudiéramos hacer, podríamos sacar la mano al final y sobre el techo de este último vagón, y apenas notaríamos la velocidad del aire.

Podemos concluir diciendo, que la velocidad del aire, justo en la superficie de todo cuerpo en movimiento, es cero. Esta capa límite, es la responsable del siguiente efecto que podemos apreciar.

Aplicaciones de su estudio

La capa límite se estudia para analizar la variación de velocidades en la zona de contacto entre un fluido y un obstáculo que se encuentra en su seno o por el que se desplaza. La presencia de esta capa es debida principalmente a la existencia de la viscosidad, propiedad inherente de cualquier fluido. Ésta es la causante de que el obstáculo produzca una variación en el movimiento de las líneas de corriente más próximas a él. La variación de velocidades, como indica el principio de Bernoulli, conlleva una variación de presiones en el fluido, que pueden dar lugar a efectos como las fuerzas de sustentación y de resistencia aerodinámica.

En la atmósfera terrestre, la capa límite es la capa de aire cercana al suelo y que se ve afectada por la convección debida al intercambio diurno de calor, humedad y momento con el suelo.

En el caso de un sólido moviéndose en el interior de un fluido, una capa límite laminar proporciona menor resistencia al movimiento.

VORTICIDAD

La vorticidad es una magnitud física empleada en mecánica de fluidos y en el mundo meteorológico para cuantificar la rotación de un fluido, continuaremos definiendo vortice.

Vortice:

Un vórtice es un flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas. Como vórtice puede considerarse cualquier tipo de flujo circular o rotatorio que posee vorticidad. La vorticidad es un concepto matemático usado en dinámica de fluidos que se puede relacionar con la cantidad de circulación o rotación de un fluido. La vorticidad se define como la circulación por unidad de área en un punto del flujo.

El movimiento de un fluido se puede denominar solenoidal si el fluido gira en círculo o en hélice, o de forma general si tiende a rotar en torno a un eje.

La vorticidad en fluidos no viscosos

En los fluidos ideales (no viscosos e incompresibles) la vorticidad adquiere fundamental importancia. A pesar de que en ellos la ausencia de viscocidad impide la difusión de vorticidad, es posible encontrar regiones singulares extremadamente compactas donde la vorticidad es infinitamente intensa. Ejemplos de estas regiones son los vórtices y las láminas vorticosas. Estas regiones singulares son empleadas en numerosos estudios de aerodinámica, como por ejemplo el de los perfiles alares Zhukovsky, y el método de Prandtl–Glauert.

La vorticidad y el campo de movimiento

Para fluidos estrictamente incompresibles, ya sean viscosos o no viscosos, existe una relación muy estrecha entre la vorticidad y el campo de movimiento

definida por la ecuación integral de Tompson-Wu. Esta relación tiene un gran valor ya que permite evaluar el campo de movimiento a partir del campo de vorticidad, que es nulo en la mayor parte del dominio. La ecuación de Tomson-Wu aplicada a segmentos de vórtice en fluidos no viscosos adquiere la forma de la ecuación de Biot y Savart (Biot–Savart law). Estas dos ecuaciónes son empleadas en diversos métodos aerodinámicos como por ejemplo el "método inestacionario de la red de vórtices".

EFECTO COANDA. Todo fluido, tiende a pegarse sobre una superficie. Este es el efecto Coanda. Parece simple y de hecho hasta lo es, pero también es extremadamente importante y decisivo en todo diseño, por cuanto podemos, en cierta forma, canalizar aire allí donde queramos o necesitemos, sin necesidad de deflectarlo “a lo bestia” con la resistencia que ello supone.

Una buena manera de explicar en qué consiste el efecto Coanda es con un ejemplo:

Esquema del efecto Coanda

Supongamos una superficie curva, por ejemplo un cilindro, tal como está en la ilustración. Si sobre él vertemos algo sólido (arroz, por ejemplo) rebotará hacia la derecha. El cilindro, por el principio de acción-reacción, tenderá a ir a la izquierda. Esto se puede ver en la primera parte de la ilustración.

Si repetimos esta experiencia con un líquido, debido a su viscosidad, tenderá a “pegarse” a la superficie curva. El fluido saldrá en dirección opuesta. En este caso, el cilindro será atraído hacia el fluido.

Si nos imagináramos el líquido que cae como miles de capas de agua, las capas que tocan al cilindro se pegarán. Las capas contiguas, por el rozamiento,

se pegarán a esta y se desviarán un poco. Las siguientes capas, igualmente, se desviarán algo más.

En algunos aviones de transporte, y dado que transportan mucha carga, y sobre todo en el despegue, los motores a reacción o las hélices en su caso, descargan su flujo directamente sobre las alas (debidamente protegidas claro), y aumentando el ángulo de incidencia de las mismas, el aire no se despega de ellas, generando una fuerza de sustentación inmensa.

Viendo el fenómeno de la sustentación, se puede apreciar que el aire se pega sobre la superficie, observando también el efecto Coanda sobre ella.

En definitiva este efecto, se utiliza para canalizar el aire donde se desee en ciertas partes del chasis del monoplaza sin tener que deflectarlo en demasía, evitando gran resistencia aerodinámica

Descubrimiento

El efecto coanda fue descubierto en 1910 por el ingeniero aeronáutico rumano Henri Coandă (1885-1972), que se interesó en el fenómeno después de haber destruido un prototipo de aeroplano desarrollado por él (Coandă-1910). Coandă notó que un fluido tiende a seguir el contorno de la superficie sobre la que incide, si la curvatura de la misma, o el ángulo de incidencia del fluido con la superficie, no son demasiado acentuados.

Efecto Coanda en el mundo de la competición

En el automovilismo, y en especial en la Fórmula 1, este efecto se utiliza para canalizar el aire donde se desee en ciertas partes del chasis del monoplaza sin tener que deflectarlo en demasía, evitando gran resistencia aerodinámica, en el caso de la F1 la forma de diseñar una estructura con propositos aerodinamicos que genere el efecto coanda es con un tunel de viento o como algunos equipo actuales, el CFD.

DRAG (RESISTENCIA).

Efectos producidos por el drag, en diferentes cuerpo, con diferentes coefiecientes de resistencia aerodinámica

También conocido como resistencia aerodinámica o resistencia al arrastre, es la combinación de los efectos anteriores sobre un objeto que se desplace a través de cualquier fluido (aire en nuestro caso). La cantidad de esa resistencia al avance dependerá de:

• La densidad del fluido a atravesar. • El ángulo de incidencia entre el objeto y la componente direccional de

avance (de lo que se deduce que cada forma de objeto tiene una resistencia específica).

• La cantidad de superficie en contacto con el fluido. • De la velocidad a la que se desplaza el objeto a través del fluido (o

viceversa).

Resumiendo, su fórmula simple es: D = 0.5 * (Densidad) * (v2) * (S) ( Cd)

Donde: D = Drag, Arrastre, o Resistencia aerodinámica.

Densidad = Densidad del fluido (para nosotros densidad del aire)

v = Velocidad

S = Superficie de impacto (superficie frontal que choca contra el viento)

Cd = Coeficiente aerodinámico del objeto.

De lo que se desprende que la resistencia aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad.

Lista con diferentes cuerpos y sus coeficientes de resistecia aerodinámica.

EFECTO SUELO. Se denomina efecto suelo o ground effect al fenómeno aerodinámico que se da 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 diversos campos.

En el mundo de automovilismo, generalmente de competición, se busca, al contrario que en aeronáutica, crear una zona de alta presión por encima del vehículo y una de baja presión por debajo, lo que provoca una succión que “aplasta” al vehículo contra el suelo, mejorando el agarre, lo que se traduce en

la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.

Dibujo de un monoplaza con efecto suelo. Se pueden observar los faldones en el fondo plano (amarillo) y el efecto del aire al subir (rojo).

Este efecto se introdujo en la Fórmula 1 a finales de los años 70 por parte de Lotus, mediante faldones y un diseño especial de la parte inferior de la carrocería, y por su efectividad no tardó en ser copiado por los demás equipos.

Lotus 78, primer monoplaza en hacer uso del efecto suelo.

Otra técnica que se utilizó, concretamente en el Brabham BT46B, era la extracción del aire de debajo del vehículo mediante un ventilador situado horizontalmente, pero fue prohibida inmediatamente.

El Brabham BT46B usaba el efecto suelo, todo y que con un ventilador en la parte posterior del monoplaza, para sacar el flujo de aire a mayor velocidad, lo que hace que aumente este efecto.

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 “saltito”, éste podía volverse muy inestable e incluso podía “salir volando”.

Se podría pensar erróneamente que aumentando el peso del vehículo, se lograría un mayor efecto suelo ya que el aumento del peso del vehículo se traduciría en mayor fricción de los neumáticos contra el suelo y por ello en un mayor agarre. Lo cierto es que al aumentar la masa del automóvil, aumenta proporcionalmente la fuerza centrífuga y esto hace que esta fuerza venza a la fricción entre los neumáticos y el suelo, perdiéndose el agarre casi por completo.

Lo interesante del efecto suelo es que aumenta considerablemente la fricción entre los neumáticos y el suelo “aerodinámicamente”, sin aumentar la masa del automóvil haciendo que el agarre sea mayor a mayores velocidades. El problema se presenta cuando los materiales de la banda de rodadura de los neumáticos llegan al límite de adherencia contra el suelo, o cuando por accidente se levanta una rueda o el coche avanza ladeado. Cuando esto ocurre, el vehículo simplemente se vuelve incontrolable.

Esta condición fue la causa del accidente del canadiense Gilles Villeneuve en la tanda clasificatoria del GP de Bélgica de 1982, quien al golpear con una de sus ruedas delanteras con la rueda trasera de otro coche, su Ferrari salió prácticamente volando despidiendo por los aires a Villenueve, que murió en el

acto. Tras este accidente se prohibió o limitó la utilización del efecto suelo por motivos de seguridad.

El accidente de Gilles Villeneuve, en 1982, hizo que se prohibiera el efecto suelo.

PARTE 2 – AERODINAMICA DE COMPETICION. INTRODUCCION A LA AERODINAMICA DE COMPETICION.

En la F1 desde que se ha tomado en cuenta la aerodinamica siempre se ha tratado de lograr el maximo grip aerodinamico posible con el menor Drag; una de las formas de llegar a este "sueño dorado" es canalizando el flujo de aire a lo largo del monoplaza, transformandolo de flujo turbulento (muchas turbulencias) a flujo laminar o limpio (poca turbulencia) por medio de deflectores que hacen que el aire pueda ser canalizado normalmente hasta llegar a las piezas aerodinamicas principales, es decir, las que generan el downforce. Para canalizar un flujo no es suficiente una sola acción o un sólo dispositivo, en la inmensa mayoría de ocasiones se necesita de una serie de elementos, que gracias al trabajo conjunto logran hacer que el objetivo final se cumpla o al menos se aproxime. Vamos a poner un ejemplo, muchas veces y más ahora en verano ponemos en funcionamiento el aire acondicionado del coche, en el salpicadero del mismo disponemos de una serie de mandos, con la funcionalidad de poder dirigir el flujo de aire allí donde deseemos. Es complicado lograr que el flujo proveniente de todas las salidas vaya directamente a

la cara ¿verdad?, pues algo parecido ocurre sobre un monoplaza de Fórmula 1. Si colocamos un dispositivo deflector sobre el morro, efectivamente desviará el flujo, pero sólo lo hará en unos pocos centímetros y además será muy fácil que el flujo se perturbe en secciones posteriores. Por tanto es necesario seguir "desviándolo" y así ayudar al flujo a ir donde queramos exactamente. "En mi opinión es mucho más efectivo desviar un flujo de aire mediante variaciones de presión o efecto Coanda, en detrimento de los visibles deflectores 'físicos'. Cuanto más lejos se encuentren 'acción' y 'objetivo' mas complicado resultará el trabajo". Adentrense en lo profundo de la aerodinamica aplicada a la competicion. Ya estamos listos para comenzar a definir algunos elementos aerodinamicos de un F1.

DRAFTING, VACIO Y DAWNWASH

Se entiende por rebufo al fenómeno producido por la "realimentación" de corrientes de aire que se concentran entre un elemento fijo o pasivo y uno activo o en acción, si un cuerpo se mueve a gran velocidad, el aire que circula alrededor de este crea una baja presion, pero en su parte posterior se origina un vacio, recordemos que el aire y cualquier coche ocupan un lugar en el espacio, asi que al ir este a toda velocidad, rompe el flujo de aire que se encuentre en ese sitio, el aire en circulacion puede volver a mezclar sus particulas despues de que el coche pase pero en las inmediaciones del aleron trasero se mantiene un vacio ya que en esta area el aire no ha juntado sus moleculas, asi que se puede decir que hay una ausencia de materia que crea un vacio, y por lo tanto una baja presion execiva que produce que cualquier coche que venga atras se pegue a esta gracias a esta succion.

¿Que es el vacio? El vacío es la ausencia total de materia en un determinado espacio o lugar, o la falta de contenido en el interior de un recipiente. Por extensión, se denomina también vacío a la condición de una región donde la densidad de partículas es muy baja, como por ejemplo el espacio interestelar; o la de una cavidad cerrada donde la presión de aire u otros gases es menor que la atmosférica. Puede existir naturalmente o ser provocado en forma artificial, ya sea para usos tecnológicos o científicos, o en la vida diaria. Se lo aprovecha en diversas industrias, como la alimentaria, la automovilística o la farmacéutica. En física se suele denominar vacío al espacio ultra alto vacío donde hay poca energía. El espacio ultra alto vacío surge como consecuencia de la transformación de esta energía, compuesta por patrones de ondas superpuestas y entrelazadas entre sí, que experimentan un impulso de repulsión; si no consiguen liberarse de ese solapamiento se debe al empuje de las unidades adyacentes. ¿Que es el Dawnwash? El término downwash tiene dos significados dentro del campo de aerodinámica. El un significar, usado lo más a menudo posible cerca noingenieros (particularmente pilotos), refiere a forzar del aire hacia abajo durante la creación de elevación. Este uso es el más común con respecto a helicópteros donde está el más dramático el efecto. El otro significado, usado lo más a menudo posible por los ingenieros, refiere al flujo del aire detrás de un ala. El downwash inmediatamente detrás de un ala es una consecuencia del vórtice del ala sistema (también vea vórtice de herradura). Este downwash es experimentado por una cola horizontal colocada en el flujo detrás de un ala. La influencia primaria del downwash en la cola horizontal es un aumento en ángulo del ataque en la cola. (La cola horizontal genera la elevación en la dirección hacia abajo, desemejante del ala. Un disturbio que causa un aumento en el ángulo del ataque contra el ala causará una disminución del ángulo del ataque contra la cola horizontal, y viceversa.). Estos significados se relacionan de cerca. Diferencian sobre todo en términos de escala. Significado el “del piloto” es un mucho grande-escala efecto que significado el “del ingeniero”. Downwash también se relaciona con la diferencia en la presión entre la tapa y el fondo de un ala. En la extremidad de un ala, esta diferencia en la voluntad “escape” de la presión alrededor de las extremidades del fondo a la tapa, dando por resultado vórtices del extremo del ala. Downwash es un componente del vórtice generado del sistema por un ala (véase vórtice de herradura). La energía almacenada en vórtices que se arrastran es el producto de fricción inducida multiplicado cerca velocidad aérea

verdadera. Upwash: Si superficie de sustentación's vórtice produce el downwash, en alguna parte armadura de avión la necesidad también produce una cantidad similar de upwash. En “vuelo estable” esto ocurre aproximadamente dentro de armadura de avión sobre superficial; puede también ocurrir fuera de armadura de avión sobre bajo circunstancias especiales. El término upwash se utiliza referir a regiones alrededor de avión o superficie de sustentación donde el aire se está moviendo en la dirección opuesta al downwash. vórtices del extremo del ala induzca un upwash fuera del wingspan de un avión o superficie de sustentación el downwash que balanceaba produjo por las superficies superiores del ala. Pájaros migratorios haga uso este upwash cuando vuelan en a Formación V. Upwash es particularmente importante en el caso de a estabilizador avión porque el upwash del estabilizador aumenta ángulo del ataque en los finales externos del ala, promoviendo extremidad de ala parada. Esto se debe evitar por precauciones convenientes en el diseño del ala para asegurar la separación del flujo sobre ala comienza cerca de raíz del ala, y alerones siga siendo funcional. Como el aire acerca a ala se da un componente ascendente de velocidad y esto se describe como upwash, en contraste con downwash mientras que el aire se va ala. Este upwash y downwash se pueden considerar una consecuencia del límite vórtice en ala, causando elevación. Competición: El Drafting o rebufo es una técnica de adelantamiento de un vehículo motorizado (ya sea monoplaza, motocicleta, coche de carreras, etc) a otro vehículo. Es utilizada por los pilotos de carreras, muy vista en Automovilismo. Se genera cuando uno o varios pilotos con su/s máquina/s se pone/n detrás de otro/s y consigue/n entrar en un "túnel de succión aerodinámico" que genera el que tiene delante, consiguiendo una mayor velocidad punta al final de recta gracias a la poca resistencia que el aire genera en dicho "túnel". Así con menor potencia consiguen la misma velocidad que el vehículo que les antecede y les queda potencia para acelerar cuando salen de la estela del vehículo y así poder adelantarlo antes de la frenada o tras llegar a la curva o chicane. El rebufo puede aportar mas velocidad al coche atacante pero tambien le resta un 75% de efectividad a su aleron delantero, asi que pegarse atras en una curva a otro coche puede dejarte fuera de pista por la perdida de grip aerodinamico delantero.

ALERONES ¿Cuántas veces hemos oído eso de que un Fórmula 1 es un avión al revés? Pues es totalmente cierto, al menos en lo que respecta al chasis es claramente un avión dado la vuelta. Voy a intentar explicar de manera ligera los conceptos que hacen verdadera esta afirmación con respecto a los alerones de los monoplazas.

Recorrido del flujo de aire, a lo largo del ala de un avión.

En imagen tenemos un ala de un avión. El hecho de que un avión despegue se basa en el diseño de las alas. Estas tienen una mayor superficie en la parte superior y por tanto menor que la inferior. Esa mayor superficie superior provoca que el aire que circula por la parte superior aumente su velocidad con respecto al aire de la parte inferior, esto provoca una reducción del la presión en la parte superior y que por tanto exista una mayor presión en la parte inferior que termina empujando hacia arriba la aeronave. Es lo que se conoce como la fuerza de Bernoulli.

Pues en Fórmula uno se invierte los procesos, buscando una mayor presión en la parte superior de los alerones para empujar hacia abajo a los monoplazas. Por tanto la parte inferior de los alerones será la que tenga una mayor superficie para así reducir la presión.

Este es el concepto, en la siguiente imagen del alerón trasero de un F1 podemos observar perfectamente como los alerones son unas “alas” como las de la imagen anterior pero invertidas.

Esquema del alerón trasero de un F1. Como se puede observar, esta formado por dos planos superpuestos, que son dos alas invertidas, con el fin de lograr el efecto contrario a la sustentación, es decir el donwforce.

Sin duda, los alerones son un factor importantísimo de cara al agarre. Generan alrededor del 66% de la fuerza hacia el suelo del coche. Lo normal es que lleven secciones de perfil aerodinámico multi-elemento (similar a los que se despliegan en los aviones en fase de aterrizaje o despegue, en la foto) optimizados para velocidades pequeñas, ya que recordemos que las velocidades punta de los Fórmula 1 son más bien lentas frente a cualquier vuelo de crucero.

En cada extremo lleva superficies transversales para reducir la resistencia inducida. ¿Y qué es esta resistencia? Se suele denominar también resistencia de borde de ala, de punta de ala, de ala finita… varios nombres que describen lo mismo: una resistencia inevitable, pero sí reducible (con estas superficies o winglets) existente por el hecho de que vivimos en un mundo en tres dimensiones en el que al aire le es más fácil irse por el lateral del alerón que por donde debe ir, generando un torbellino que da resistencia.

Aleron delantero

Alerón delantero de F1

El alerón de un Fórmula 1 está construido en fibra de carbono y es la primera parte del coche en contactar con el flujo de aire. El flujo alrededor de este es mayor que en cualquier otra parte del coche puesto que es la parte en la que el aire incide con menos perturbación. El alerón está diseñado para producir downforce y guiar el aire que se mueve aguas abajo.

Flaps y winglets (pequeños alerones y apéndices aerodinámicos) se usan para guiar el aire pasadas las ruedas hacia las entradas del radiador y la panza del coche. El aire turbulento que se mueve hacia la parte trasera del coche impactará sobre la eficiencia del alerón trasero. La eficiencia del alerón se basa en tres parámetros básicos: el alargamiento, el ángulo de ataque y la resistencia:

1. El Alargamiento: La cantidad de downforce producida por un ala o alerón se determina por sus medidas. Cuanto mayor sea el alerón mayor downforce produce. Llamamos alargamiento a la relación entre longitud/anchura. Cuanto mayor sea el alargamiento, menor es la resistencia creada por los vórtices en las puntas de los alerones. El alargamiento es la longitud (la dimensión alargada perpendicular al flujo de aire) dividida por su cuerda (la dimensión paralela al flujo).

2. El Ángulo de Ataque: La eficiencia de un alerón depende también de la relación downforce/resistencia. La cantidad de downforce generada también depende del ángulo o inclinación del alerón. Cuanto mayor es el ángulo de ataque mayor es el downforce producido.

3. La Resistencia: Al incrementar el downforce en un alerón también crece la nunca deseada resistencia. La downforce generada por el alerón trabajo en sentido vertical, hacia el suelo, mientras que la resistencia actúa en la dirección opuesta al flujo de aire.

Esquema alerón delantero de F1. En rojo el recorrido del flujo del aire, a través del alerón.

En la puesta a punto del alerón delantero, los ingenieros deben considerar lo que sucederá al flujo de aire cuando este viaje aguas abajo recorriendo todo el coche. En un esfuerzo de limpiar el flujo perturbado, se suelen hacer pequeños ajustes en forma de apéndices aerodinámicos o de acomplejización de las superficies en la parte delantera del coche. Las turning vanes (deflectores) se usan para desviar la estela (la estela es un pequeño volumen turbulento de

baja presión causado por el paso de un objeto a través del aire que produce resistencia de presión) de flujo turbulento lejos de las ruedas delanteras y el alerón delantero. Este efecto, aleja al aire perturbado de las entradas de los radiadores y de la panza del coche. En los circuitos más lentos también se pueden montar pequeños secciones de verticales en alerón, ineficientes en circuitos rápidos por su producción de resistencia aerodinámica.

Los alerones para las configuraciones de circuitos rápidos son muy pequeños y funcionan más bien como elementos estabilizadores que como generadores de downforce. Dicha configuración es capaz de producir una fuerza de 6.650 N.

Alerón delantero Red Bull temporada 2009

Las ruedas delanteras y traseras son la mayor fuente de resistencia de un Fórmula 1. Esto provoca hasta un 60% de ineficiencia aerodinámica (el aporte en la resistencia total suele ser de un 40%). El conjunto del alerón delantero tiene unas placas perpendiculares en sus bordes laterales para reducir la turbulencia que hay alrededor de las ruedas y ayudar al flujo de aire a moverse hacia los radiadores y alrededor de los sidepods. Cualquier cambio realizado en la parte delantera del coche afectará al flujo de aire que se mueve hacia la parte trasera. El equipo de ingenieros tiene que considerar que cualquier cambio en el alerón delantero tendrá un impacto sobre la eficiencia aerodinámica general de todo el coche.

Alerón Ferrari de la temporada 2005

La parte circular que se muestra en la imagen nos indica la prescencia de un courgue, mas adelante explicaremos que es esto y cual es su funcionamiento; en resumen, el alerón delantero carga con el 33% de la fuerza hacia abajo total del coche (la mitad del grupo alerón).

Para entender su funcionamiento, que es lo más importante, lo mejor es pensar en una tabla horizontal que es la que nos dará apoyo vertical, y un conjunto de lengüetas laterales (y alguna sobre el propio aleron) destinadas a alejar en lo posible el flujo del aire de las ruedas (que son un completo freno).

A parte de generar el 33% del downforce total del monoplaza, y enviar la corriente de aire a las ruedas de forma que no generen mucha resistencia (gracias al conjunto de lengüetas laterales nombradas antes), tiene la función añadida de alimentar en parte a los bajos, y canalizar el flujo de aire de la forma deseada hacia la popa del monoplaza. Otra función interesante que realiza el alerón delantero gracias a su forma, es la de deflectar aire hacia los frenos para mejorar su refrigeración.

Alerón Mclaren de la temporada 2009

La idea y el problema principal en diseño es buscar una solución de compromiso entre la generación de fuerza vertical y el desvío de aire a otras partes del coche.

Como curiosidad comparar el tipo de alerón delantero que se usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alerón que se utiliza desde la temporada 2009.

Tipo de alerón utilizado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón utilizado desde la temporada 2009

Aleron trasero

Alerón trasero

La configuración del alerón trasero se determina (de forma incluso más crítica que en el caso del delantero) según el tipo de circuito en el que se corra.

Existen según el actual reglamento técnico de la Fórmula 1 tres tipos de configuraciones:

• Baja downforce • Estándar downforce • Alta downforce

De nuevo el compromiso está en conseguir una óptima relación downforce/resistencia. El alerón trasero de tres alas en cascada (puede asimilarse a una pequeña cascada de álabes) se usa en los circuitos lentos y es capaz de producir una fuerza de hasta 13.000 N que también maximiza la resistencia. El alerón estándar de utilizado en circuitos mixtos está formado por dos alas que producen menos downforce y resistencia. El alerón usado en circuitos rápidos es el más pequeño de todos, consta solamente de un ala casi plana y produce la mínima resistencia.

Al moverse el flujo de aire hacia la parte posterior del coche, este es cada vez más turbulento. La estela del alerón delantero, los espejos, el casco del piloto, las ruedas delanteras, los sidepods y otros elementos influencian el flujo de aire y provocan que este sea totalmente turbulento al llegar a la parte trasera del coche. Consecuentemente, el alerón trasero no es tan eficiente como el delantero y aún así este debe generar más del doble de downforce para equilibrar el monoplaza. Por tanto el alerón trasero está diseñado para producir un alto downforce. Por consecuencia el alerón trasero, junto a las ruedas es el elemento responsable de la mayor parte de la resistencia, de nuevo la clave reside en la relación downforce/resistencia, la downforce es necesaria para entrar y salir rápidamente de las curvas, y la baja resistencia para alcanzar altas velocidades en las rectas. La eficiencia del alerón trasero depende de los mismos parámetros que el alerón delantero (Alargamiento, ángulo de ataque y resistencia).

Alerón trasero Ferrari temporada 2009

Por tanto, podemos decir que el alerón trasero tiene dos misiones fundamentales:

• Generar el máximo de empuje vertical (downforce) con el mínimo arrastre y vibración. (drag).

• Crear una zona de baja presión debajo de él, o lo que es lo mismo, encima del difusor.

Esto, es algo fácil de decir, pero extremadamente difícil de conseguir. Sobre todo si se tiene en cuenta lo anteriormente dicho y explicado sobre la multitud de zonas anteriores a esta, que hacen que el comportamiento exacto de este alerón dependa de la propia constitución de estas y de la calidad del aire incidente de estas.

Alerón trasero Mclaren temporada 2009

La normativa que se le aplica a este alerón, es de lo más estricto, ya que tiene una flexión limitada, unas alturas limitadas, unos materiales limitados…

Como curiosidad comparar el tipo de alerón trasero que se usaba hasta la temporada 2008 y el tipo de alerón que se utiliza desde la temporada 2009.

Tipo de alerón trasero usado hasta la temporada 2008

Tipo de alerón trasero usada desde la temporada 2009

CHASIS.

El chasis de un F1, desde arriba y de perfil.

El chasis de un Fórmula 1 está diseñado, como todo elemento en un F1, para producir el máximo de downforce minimizando a su vez la resistencia. Para conseguirlo la parte superior del coche está diseñada para cortar el aire tan finamente como sea posible, mientras que su parte inferior se diseña para crear una zona de baja presión entre el coche y el asfalto que empuje el coche hacia el suelo. Antaño el diseño de debajo de los sidepods recordaba a un perfil aerodinámico invertido. Dichas superficies que propiciaban el efecto venturi fueron restringidas por motivos de seguridad (este efecto conjuntado con los alerones era conocido como el “efecto suelo“), y se impuso un fondo plano para los monoplazas, aún así el chasis aún es capaz de producir downforce.

Los primeros Fórmula 1 que utilizaron alerones, fueron los de los años sesenta.

El desarrollo del “efecto suelo” empezó en los años setenta cuando los ingenieros empezaron a usar “alas” montadas en los coches para generar downforce en las ruedas traseras, tal y como puede apreciarse en la imagen anterior. Por razones de seguridad esos alerones primitivos fueron prohibidos y los ingenieros fueron a la caza de otras fuentes de downforce. Esto condujo a un rediseño de la panza del monoplaza y se introdujeron los sidepods del coche que contenían los radiadores que introducían el aire debajo del coche hacia sus túneles. Dichos túneles se estrechaban en el centro y se ensanchaban hacia la parte posterior del coche. Tal y como el aire se movía hacia los túneles, se creaba un área de baja presión entre el coche y el suelo. Esto producía que el coche fuera succionado hacia el suelo. Al progresar las pruebas con estos nuevos diseños, los ingenieros se dieron cuenta de que reduciendo el flujo lateral debajo del coche mejoraba aún más el “efecto suelo“. De esta forma se adjuntaron faldas ajustables (verticalmente) en los sidepods de los coches para reducir el flujo lateral, de nuevo esto resulto en una mejora a nivel aerodinámico pero el organismo regulador de entonces tomó cartas en el asunto.

Actualmente las regulaciones de la FIA estipulan que los Fórmula 1 deben tener un fondo plano y prohíben dichas faldas. De este modo se reduce la forma de perfil invertido y se pierde downforce, que reduce la velocidad en las curvas y por lo tanto incrementa la seguridad, factor que década tras década ha ganado mucha importancia en la Fórmula 1.

A pesar de todas estas limitaciones, la geometría de la panza del coche sigue teniendo una importancia vital en la configuración aerodinámica del coche.

CASCO.

Recorrido del flujo de aire, a su paso por el casco del piloto

El casco de los pilotos, como moderno yelmo de los antiguos caballeros medievales, muchas veces nos habla de la personalidad de su propietario.

Pero más allá de las fábulas y de los entronques históricos que la imaginación quiera establecer, los cascos de nuestros pilotos tienen una función clara y concreta: la protección de la integridad de sus propietarios.

No obstante, siendo esta la aplicación primaria del los cascos integrales, que se utilizan en la mayoría de las disciplinas deportivas automovilísticas, no hay que olvidar el principio básico de toda competición.

Por definición de competición, todos y cada uno de los elementos que componen un coche destinado a este fin, sirven para algo: no hay nada inútil.

Existe una premisa básica en competición, que dice así: “si he de colocar un elemento por causas mayores, he de diseñarlo de forma y manera que sirva o cumple otra función beneficiosa para la dinámica del coche“.

Bajo este prisma de diseño, el casco, como elemento indispensable y necesario, hay que diseñarlo de forma que actúe de forma beneficiosa en alguna medida.

Análisis del comportamiento aerodinámico de un casco de F1 mediante CFD

Principios del casco de F1

Dado el lugar donde se ubica el casco, podemos, en principio, hacer que actúe en 2 aspectos:

1. Adecuando el flujo hacia la toma de admisión:

Ya que en función de si se canaliza o no, mediante un apéndice colocado en el alerón delantero, el flujo de aire, se podrían obtener aumentos de potencia de hasta 5 CV o quizás más.

2. Adecuando el flujo de aire hacia la popa (alerón trasero y difusor):

En este caso, la eficiencia del alerón trasero y también del difusor aumentan de forma considerable.

En un principio y ello es verdaderamente así, los diseños de un casco son diferentes en función de la categoría donde se dan. Las funciones son diferentes y por lo tanto, los diseños han de ser diferentes.

• Si se pretende canalizar de forma idónea el flujo de aire hacia la toma de admisión, el diseño del casco ha de permitir un flujo superior enfocado hacia la toma de admisión, teniendo en cuenta una desviación de flujo no necesario o excedente.

• Si se pretende canalizar el flujo de forma adecuada hacia la popa del coche, el diseño ha de permitir un flujo a su alrededor con baja resistencia, siendo la popa del casco zona importantísima para que el

flujo no sea turbulento o cause alteraciones en el mapa de presiones o turbulencias periódicas-

Por si fuera todo esto poco, noten lo siguiente: en un coche de GP2, la variación de tan sólo 2 cm de la altura del casco, produce una variación de 5 kilos en la resistencia; al fin y al cabo, estos kilos de resistencia son caballos de potencia que se restan….

Por todo lo dicho, se hace indispensable un diseño a medida de cada piloto, competición y demás variables que intervienen.

MEDIDAS DE SEGURIDAD DE UN CASCO DE F1:

TOMA DE AIRE Y ANCLAJE.

Toma de aire y anclaje de la grúa del R30

El anclaje para grúa, es la parte elevada por encima de la cabeza del piloto, que tiene una entrada de aire más o menos grande y está rematada por el

alerón superior de la cámara, impuesto por reglamento, al igual que la apertura necesaria para poder levantar el coche mediante una grúa, en caso de tal necesidad.

Es una buena zona para colocar aletas, que pueden tener múltiples aplicaciones, desde generar un alto empuje en la zona central, o redirigir los flujos de aire hacia el alerón trasero, hasta corregir inestabilidades o vibraciones innecesarias, recordemos a las orejas vikingo de Mclaren y BMW.

FONDO PLANO DE UN F1. El fondo plano, es la parte más baja del monoplaza, ya que este es la superfície sobre la que va todo el monoplaza en si. Es decir, el fondo plano son los bajos de los monoplazas de F1, y por ello son la parte que más cercana está al asfalto.

El objetivo de todo ingeniero, en lo que respecta al fondo plano, es hacer que circule la menor cantidad de flujo de aire posible por debajo del coche, para que el dowforce del monoplaza aumente. Para tratar de conseguir esto existen diferentes métodos:

• Vórtices del alerón delantero en un determinado sentio, para extraer aire de debajo del coche.

• Apédices colocados debajo de la abertura de los pontones, para desviar y alejar el flujo de aire de la parte baja del coche.

• Lábios en los extremos de la superfície del fondo plano, justo debajo de los pontones ( a cada lado de la cubierta motor) con el fin de extraer aire de debajo del coche.

En la parte central de este, se suele colocar como una tabla de madera, para evitar que se desgaste el fondo. Esta tabla la impone el reglamento para evitar que el bajo del coche este demasiado cerca del suelo, ya que según la normativa tiene que haber una distancia mínima de 100mm entre el fondo plano y el asfalto. De lo contrario, si la la tabla se desgasta más de lo que permite el reglamento (1mm), la escuderia puede ser sancionada.

Por cierto, se admite otro material que no sea madera, con la condicion de que la densidad de dicho material esté entre 1,3 y 1,45 g/cm3.

En la imagenes siguientes, se puede apreciar el fondo plano de un monoplaza de F1.

Fondo plano del RB5. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

Fondo plano del MP4-24. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

Fondo plano del MP4-24. Junto con este, se pueden observar el difusor y la tabla de madera.

TAPA DEL MOTOR DE UN F1

Tapa Motor

Es la parte que se eleva desde la zona “horizontal” de los pontones, la “joroba” del carenado de fibra de carbono. No incluye la “caja de aire”, es decir la toma de aire para la combustión del motor, que está carenada en otra pieza aparte.

No se suele llevar ningún tipo de aditivos aerodinámico, pues no tiene puntos resistentes para la transmisión de fuerzas al cuerpo del vehículo. Claro que esporádicamente, aparece incorporado algún tipo de divisor de flujo o algún aletín de estabilización.

DIFUSOR DE UN F1.

Difusor de F1

Un elemento aerodinámico de mucha importancia en un Fórmula 1 es el difusor. Gran parte de la downforce se obtiene de un difusor que se endereza de la parte de debajo del eje de las ruedas traseras y tiene una geometría tal que mejora las propiedades aerodinámicas del coche, optimizando la transición entre el flujo de alta velocidad de debajo del coche con el flujo mucho más lento de la parte superior (a presión atmosférica, contrastando con el flujo a baja presión de debajo del coche).

Funciona proporcionando un espacio para el flujo de debajo del coche para desacelerarse y expandirse de forma que la capa entre el flujo de aire del coche y el externo sea menos turbulenta. También proporciona cierto grado de “estela de relleno“.

Recorrido del flujo de aire por el difusor

De esta forma el flujo de aire debajo del coche se controla mediante el difusor trasero. Su diseño es de una importancia vital, puesto que cuánto más rápido el aire sea capaz de salir del coche, más downforce se produce.

Como se puede observar en las imagenes siguientes, un difusor está formado por una sola pieza.

Difusor visto por delante

Difusor visto desde atrás

Por último, decir que el difusor suele formar parte del fondo plano, al unirse con este. Esto es algo que se puede apreciar, más que bien, en la imagen que sigue.

El difusor forma parte del fondo plano del monoplaza

PONTONES.

Pontón izquierdo

Son la parte ancha y baja de la carrocería, que se extienden desde cada lado del habitáculo del piloto hasta el extremo final de los radiadores cubriéndolos, obviamente no cubre las tomas de aire. Desde ahí hacia atrás, se van estrechando hacia la zona central trasera, de tal manera que dan un forma de “botella de coca-cola” a la silueta del bólido.

Esa forma no es causal en la F1, ya que se basa en una regla del diseño aeronáutico, la llamada “Regla del área”. Esta regla de diseño sirve para reducir la resistencia de onda producida en el avance de un cuerpo a través de un fluido (relacionada con la compresibilidad del aire), sobre todo en altas velocidades. Resumiendo, la regla consiste en reducir en lo posible las variaciones bruscas de sección trasversal del objeto que se desplaza.

Pontón derecho

En aviones es fundamental si se quiere sobrepasar el Match 1 de velocidad, en los barcos también se usa, y en los coches es asumible para reducir las vibraciones estructurales. Lo que se traduce en estabilidad estructural y facilidad para el piloto, que no temblará tanto por este motivo, las vibraciones por el motor y suspensión son otro asunto.

Es en los pontones donde se colocan aditamentos como las famosas “branquias” y también, obviamente, las aletas de pontón, las “chimeneas”, así como los escapes que están en la parte trasera de esta cubierta.

En los pontones se sitúan las branquias de refrigeración, y los escapes, así como otros aditamientos aerodinámicos.

PARTE 3 – SISTEMAS DE DISEÑO Y MEDICION AERODINAMICA TUNEL DE VIENTO.

Túnel de Viento

La mayoría de los túneles de viento de la industria automovilística son una instalación que consiste en un circuito cerrado donde el aire es acelerado por una turbina y que cuentan con una zona en la que se establece el área de pruebas, que es donde se colocarán las maquetas de los vehículos sobre los que se van a efectuar los ensayos.

Además la superficie sobre la que se apoya el vehículo es móvil. Esto es para poder realizar las pruebas aerodinámicas con las ruedas en movimiento.

Básicamente el túnel de viento sirve para estudiar el comportamiento aerodinámico del coche: calcular coeficientes aerodinámicos, fuerzas aerodinámicas, centro de presiones y momentos aerodinámicos.

Esquema de un túnel de viento

A continuación veremos cómo se calculan estos factores y cómo influyen en la estabilidad y el rendimiento del vehículo.

Lo primero que se ha de hacer es una maqueta a escala del vehículo sobre el que se van a efectuar las correspondientes pruebas. Esta maqueta se llena de transductores (sensores) de presión por gran parte de su superficie. El objetivo es obtener una distribución de presiones a partir de la cual calcular numéricamente fuerzas.

En cada punto de la superficie del vehículo se producen dos fuerzas que tienen que ver con su movimiento en un fluido como es el aire. Una es la fuerza de presión que ejerce el fluido (normal a la superficie) y otra la fuerza de rozamiento con el fluido debida a efectos viscosos (tangencial a la superficie).

Distribución de fuerzas en un monoplaza de F1

Con los ensayos en el túnel se obtienen distribuciones de presión con las que luego mediante métodos numéricos se obtienen distribuciones de fuerzas, las cuales sumamos, y calculamos así la resultante que aplicamos en el centro de

presiones del vehículo previo calculo de este. El centro de presiones (cdp) del vehículo es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas aerodinámicas. Es distinto del centro de gravedad (cdg), que es donde se aplica la resultante de todas las fuerzas de gravedad del vehículo. Si estos dos centros divergen demasiado en su posición el vehículo será inestable, de ahí que oigamos en los entrenamientos muchas veces que están ajustando el reparto de pesos. Lo que están haciendo es intentar ajustar la posición del centro de gravedad para que coincida lo máximo posible con el centro de presiones aerodinámico de cara a que el vehículo sea lo más estable posible. Si no coinciden se producen pares de fuerzas que producen momentos y con ello inestabilidad en el vehículo.

Pero por el momento centrémonos en las fuerzas resultantes que se producen:

Fuerzas resultantes que se producen en un monoplaza de F1

Podemos ver que las resultantes de las fuerzas aerodinámicas tienen una componente en el eje X que se opone al avance del vehículo llamada Fuerza de arrastre (Fx) o Resistencia aerodinámica, y una componente en el eje Y que tiende a elevar a este llamada sustentación.

En la Formula 1 se persigue el equilibrio que minimice la fuerza de arrastre y la fuerza de sustentación, incluso en cuanto a esta última se refiere, se persigue que en lugar de hacia arriba vaya hacia abajo (downforce) para favorecer así el agarre y la tracción del vehículo.

Influyen otras fuerzas aerodinámicas, pero son menos significativas, siendo de las dos que hemos analizado la más significativa la de presión, que viene a ser un 70-80% de las fuerzas aerodinámicas totales que influyen en el vehículo, la de rozamiento aerodinámico vendría a influir aproximadamente un 10%.

Una vez se obtienen las fuerzas se sacan unos coeficientes adimensionales, que son los coeficientes aerodinámicos. En Formula 1 es de especial interés el coeficiente de arrastre (Cx) que obedece a la fórmula:

Donde el Coeficiente de Arrastre (Cx) es igual a la Fuerza de Arrastre divida por la mitad del producto de la densidad del aire por la velocidad al cuadrado y por una superficie de referencia cualquiera. Como superficie de referencia suele elegirse la frontal.

A partir de los ensayos realizados en el túnel de viento se tienen valores de la Fuerza de Arrastre para una determinada densidad del aire y para una determinada velocidad de este, pudiendo entonces calcular de forma experimental, sustituyendo en la fórmula, el Coeficiente Aerodinámico de Arrastre que podemos suponer constante para cualquier velocidad y/o densidad en los intervalos en los que se mueve un Formula 1. El producto Cx·S se utiliza para comparar diferentes configuraciones del vehículo o diferentes vehículos. Cuando en un gran premio reglan los alerones, el morro, etc, lo que están haciendo es variar este coeficiente y con ello claro está la fuerza aerodinámica de arrastre. El Cx de un Formula 1 suele ser el doble de un coche de calle, siendo un poco más alto en aquellos grandes premios donde no es demasiado importante la velocidad punta y es más importante el agarre. Estando su valor entre 0,7 (Monza) y 1,1 (Mónaco) aproximadamente.

Como antes comentábamos, si el centro de presiones está desplazado respecto al centro de gravedad se producen momentos que hacen inestable al vehículo. Si el cdp esta adelantado respecto al cdg por ejemplo, si la sustentación que se produce es positiva y no hay downforce se produciría un desgaste menor en los neumáticos delanteros y un menor agarre de estos provocando subviraje (tendencia a seguir recto en curva). Si no hay downforce y el cdp está retrasado respecto al cdg se producirá menor agarre en los neumáticos traseros y sobreviraje (tendencia a girar más de lo debido).

Si aparece viento lateral y el cdp y cdg están desplazados en función de la dirección de este podría aumentar la posibilidad de producirse sobreviraje o subviraje.

Es por esto que se busca la mayor estabilidad del vehículo regulando para cada circuito el centro de presión y el de gravedad, para ello se puede actuar sobre superficies aerodinámicas y sobre el reparto de pesos del coche respectivamente hasta dar con los reglajes que proporcionen el mejor comportamiento del monoplaza. Entre otras cosas es a esto a lo que se dedican en las sesiones de entrenamientos libres del viernes.

Túnel de Viento

Hoy en día, la mayoría de equipos de F1, por no decir todos, cuentan con su propio túnel de viento, en sus respectivas fábricas. Aquí, es donde prueban las piezas, diseñadas en la misma fábrica, que luego llevarán a los circuitos.

Túnel de viento del equipo Renault F1 Team

CFD

Análisis del comportamiento aerodinámico de un monoplaza mediante CFD

El CFD, es son las siglas de Computational Fluid Dynamics, en inglés. En español, Mecánica de Fluidos Computacional o mediante computadora.

El CFD es una de las ramas de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de sustancias. Los ordenadores son utilizados para realizar millones de cálculos requeridos para simular la interacción de los líquidos y los gases con superficies complejas proyectadas por la ingeniería. Aun con ecuaciones simplificadas y superordenadores de alto rendimiento, solo se pueden alcanzar resultados aproximados en muchos casos. La continua investigación, sin embargo, permite la incorporación de software que reduce la velocidad de cálculo como así también el margen de error al tiempo que permite analizar situaciónes cada vez más complejas como los fluidos transónicos y los flujos turbulentos. La verificación de los datos obtenidos por CFD suele ser realizada en túneles de viento u otros modelos físicos a escala.

El cálculo mediante ordenador (CFD) permite sin necesidad de fabricar una pieza simular su comportamiento, con lo cual se ahorra tiempo y dinero y se tienen los resultados que le pida al programa.

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD

Análisis termodinámico del BMW Sauber F1.06 mediante CFD

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista delantera)

Análisis aerodinámico del BMW Sauber F1.07 mediante CFD. (Vista trasera)

Pero, ¿cómo sé que las simulaciones obtenidas del ordenador son ciertas?, aquí es donde entra la correlación entre los datos obtenidos en el túnel real y en el túnel virtual. Por ello se debe realizar la simulación virtual en las mismas condiciones en las que funciona el túnel de viento y solo entonces se podrán comparar los resultados “reales” y virtuales.

Llegados a este punto, podrá realizar un ajuste del modelo virtual (cosa bastante complicada por otra parte) para que se ajuste a la realidad y así obtener unos resultados virtuales fiables. Una vez conseguido un modelo virtual ajustado, se podrá realizar tantas simulaciones como se quiera o se pueda, teniendo en cuenta todos los parámetros y variaciones que se necesiten.

El CFD permite analizar, no sólo el monoplaza en conjunto, sino que también las diferentes partes de este.

Análisis aerodinámico, mediante CFD, de un alerón delantero de F1.

Análisis termodinámico, mediante CFD, de un bloque de un motor de F1.

RESUMEN DE TERMINOS BASICOS EN LA AERODINAMICA DE UN F1. A modo de resumen, a continuación se citan una serie de esquemas de las diferentes partes de un formula 1, en las que aparecen las nomenclaturas tecnicas de cada uno de los elementos aerodinámicos pertenecientes a dichas partes, les dejo las siguientes imágenes con la esperanza de que este pequeño y humilde trabajo les haya sido útil en la comprensión de la competición máxima del mundo a motor, un saludo a todos.

Esquema vista superior

Esquema vista lateral

Esquema vista alerón delantero

Esquema vista alerón trasero

Esquema vista difusor.

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Trabajo de Aerodinamica f1

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