Sobre alerones de competición

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Sobre alerones de competición

Mensaje por Domin el 29/6/2011, 11:35

Los alerones son usados para que los automóviles se "peguen" al piso y de esta forma puedan pasar más rápidamente las curvas, sin embargo esto tiene un punto en contra: se sacrifica la velocidad final, ya que a grandes velocidades los alerones producen una gran fuerza descendente y frenan el automovil (un F1 o kart a más de 270 km/h, podría andar por el techo o al revés), por eso los pilotos siempre tratan de buscar el equilibrio perfecto.



El tiempo de paso por curva, se ha convertido en uno de los factores más importantes y transcendentales en toda carrera; evidentemente, la velocidad máxima es crucial, pero lo es más el tiempo de paso por curva, y es ahí donde se ganan muchas carreras; hoy en día esto es básico, tal y como ha evolucionado el mundo de la competición, sobre todo en la Fórmula 1.

La herramienta básica usada para aumentar la Down Force, es el alerón; se trata de una superficie que genera una fuerza hacia abajo, la cual, es la encargada de "pegar" el auto al asfalto, o en resumidas cuentas, hacer que pese más, con la misma masa.

Sustentación:

Primero que nada hay que saber algo básico de la aerodinámica, el efecto de la sustentación, usado para que los aviones se eleven. Esto sucede por la forma que tienen las alas (ver fig. 1) al pasar una corriente de aire por el ala, el aire que pasa por la parte superior recorre mayor distancia que el que pasa por la parte inferior, esto produce una baja de presión en la parte superior y la mayor presión presente en la parte inferior produce una fuerza acendente (ver fig. 2)


fig1


fig2

Ahora si invertimos esta ala se produciría una fuerza descendente (ver fig. 3), de esta forma funcionan los alerones y el efecto suelo. Uno de los principales problemas del efecto suelo fue que si el auto se daba vuelta el ala funcionaba como el ala de un avión (un ejemplo de esto es el accidente de Giles Villeneuve). Hoy en día con la sofisticación existente los alerones de los F-1 son muy complejos, con diferentes conjuntos de alas que son más eficientes.


fig3


A su vez, el efecto de sustentación, provoca un momento (una fuerza rotatoria de la superficie), la cual, hay que considerar a la hora, por ejemplo, de diseñar los amarres de los alerones, y también a la hora de diseñar el auto en conjunto.

Veamos algunas definiciones: llamamos envergadura a la longitud (sentido transversal de la marcha) de la superficie o alerón; llamamos cuerda, a su anchura; llamamos espesor, al espesor máximo del perfil.

Notemos una cosa muy importante: el hecho de existir sustentación, radica en que el aire que circula a mayor velocidad, está "pegado" a la superficie; si el ángulo de incidencia es demasiado grande, el aire se "despega" de la superficie, cayendo la fuerza de sustentación; evidentemente, si queremos alcanzar grandes fuerzas de sustentación con un mismo alerón, hemos de colocarlo con un gran ángulo de ataque o de incidencia; para poder alcanzar grandes valores de incidencia, hemos de intentar que el aire no se desprenda de la superficie, pues en caso contrario, no sólo no estaremos aumentando la sustentación, si no que además estaremos aumentando de manera muy considerable y apreciable, la resistencia.

Para impedir el desprendimiento del aire, podemos aumentar la velocidad en la zona conflictiva, a partir de la colocación de otra superficie:



Por la zona que queda entre las 2 placas, el aire alcanza mucha velocidad, haciendo que el aire que circula por debajo de la placa principal o inferior, permanezca adherido a ella. Con ello, conseguimos altos ángulos de incidencia y por tanto, altos valores de fuerza de sustentación (en este caso, de Down Force). En el estudio y análisis del tipo de perfiles, las distancias entre ellos y demás, radica una buena investigación (CFD, Túnel de Viento o Telemetría en ensayo real), estudio y por tanto, eficiencia.

Tipos de alerones:

Existen muchos tipos de alerones clasificables básicamente, en función del número de superficies que tengan, si bien es verdad que es posible clasificarlos en función de otros parámetros.

Alerón de 2 superficies: Se trata de una mejora del anterior modelo, perfilando adecuadamente los perfiles, para optimizar por tanto, su eficiencia (no creando o disminuyendo la resistencia inducida):




En este caso, el aire que pasa por debajo el segundo perfil, también tiende a separarse de él, con lo que la sustentación disminuye a altos grados de incidencia; para corregir esto, utilizamos los alerones de 3 elementos:




Extendiendo el razonamiento, obtenemos los de 4 elementos:





Como curiosidad, fijarse que la última superficie, puede incluso llegar a ángulos mayores de 90º...

Para calcular y conocer cuál es el "CL" de cierto sistema de alerones, podemos utilizar, bien un Túnel de Viento, incluso de pequeñas dimensiones, bien la realidad colocándolo en el auto y ensayándolo con la telemetría adecuada claro, o bien incluso, que es la opción más sencilla y rápida, ensayándolo virtualmente mediante un software especial de CFD.

Pantallas de extremidad:

Dado un alerón, hemos visto que sobre el extradós (diferencia de presiones sobre la superficie), se produce una baja presión; evidentemente, esta baja presión, hace que el aire que circula esta zona, se introduzca en ella, para aumentar la presión:






Esta circulación de aire, hace que lo que se suponía que generaba sustentación negativa (que era justamente esta depresión) o deja de existir o disminuye drásticamente; para evitar tal efecto, se colocan unas pantallas, denominadas pantallas de extremidad, que impiden esta circulación no deseada de aire desde las zonas de alta presión, hasta las zonas de baja presión. Algunos aviones, suelen tener esta pantallas también sobre todo, si la envergadura es corta.

Evidentemente, en la optimización, tanto de forma como de tamaño, de esta pantallas, radica el truco; no es necesario que el diseño de dichas placas sea cuadrado o rectangular, por ejemplo; es posible diseñarlas de tal forma que donde haga más falta su presencia, sean más grandes.

Flap Gurney:

Existe un método "extra" para aumentar la sustentación de una superficie; se trata del denominado Flap Gurney; se trata de una placa de pequeñas dimensiones (1 cm más o menos) colocado perpendicularmente al perfil; ello provoca, aproximadamente, un 20% más de sustentación; de todas formas, ello depende de múltiples factores, y es necesario también, diseñarlo correcta y adecuadamente con respecto al conjunto:





Este flap, hace que el aire que pasa por el extradós, no se despegue antes de lo debido, con lo que la sustentación aumenta, además de aumentar por impacto directo del aire.

Inyección / Succión de aire:

Supongamos una superficie plana con cierto ángulo de incidencia con respecto al sentido del movimiento; esta superficie, tendrá una determinada fuerza de sustentación; si el ángulo es demasiado grande, la sustentación decrecerá; para ello, ya lo vimos, el aire que circula por el extradós, ha de permanecer adherido a la superficie; una de las formas, que algunos aviones usan, es la de succionar aire, a través de una serie de orificios:



Podemos de igual forma, unir todos los orificios mediante una ranura de succión. De forma análoga, podemos colocar unos orificios o ranura, en el borde de ataque y sobre el intradós (parte interior o inferior del alerón), de forma que se inyecte aire a gran velocidad; ello retrasa la separación de la capa límite laminar a turbulenta, con lo que la resistencia disminuye.

Otros métodos:

El tema de los alerones, es un tema muy complicado, en el que existen diversas soluciones, algunas muy curiosas; algunos aviones poseen trozos de papel de lija colocados estratégicamente, sobre el ala, de forma que la capa límite laminar se desprende más tarde de lo debido o normal; algo parecido a los agujeros de una pelota de golf; incluso, en algunos autos de competición poseen recubrimientos (a modo de pintura por ejemplo), rugosos o al menos, más rugosos de lo que se podría pensar; el objetivo puede ser triple: retrasar la separación de la capa límite laminar, mantener adherido el aire a la superficie o desacelerar cierto flujo de aire; podemos colocar pintura “rugosa” sobre el intradós de los alerones, por ejemplo....

Otro método que podemos pensar, es inyectar aire a través del borde de fuga, con un ángulo determinado, de forma que ayude a adherirse el aire que circula por el extradós; este aire, puede ser recogido por algún sistema colocado en los soportes del sistema de alerones. Métodos hay muchos, pero es necesario estudiarlos en profundidad; recordar simplemente, que la sustentación provoca también resistencia....

Sujeción de un alerón:

Hemos visto que dada la peculiar forma de un alerón, la fuerza total de sustentación (el punto resultante de su aplicación, se denomina centro de presión) y de resistencia (inseparables), provoca una fuerza de rotación del alerón; es necesario tener en cuenta esta fuerza y dónde tiene lugar su resultante, para diseñar un buen sistema de anclaje de los alerones; de esta forma, nos evitamos problemas de rotura por una mala fijación, y esfuerzos extras en los mismos alerones, que también pueden desembocar en una rotura del mismo.

Diseño de un alerón:

Para diseñar un alerón, exclusivamente desde el punto de vista de la fuerza a ejercer, hemos de tener en cuenta: “B” que es la distancia entre el centro de presión del alerón trasero y el “CG” centro de gravedad del coche, “a” la distancia entre el mismo “CG” y el centro de presión del alerón delantero. Vamos a suponer que ninguno otro componente del auto, cosa que no es así nunca, no posee fuerza alguna de sustentación; supondremos además que la fuerza de resistencia no afecta al diseño, cosa que tampoco es real.

Conocer el centro de presión, implica tener catalogado perfectamente el sistema de alerones y conocer en profundidad, cómo actúa en función de la velocidad, ángulo de incidencia, densidad del aire, etc. Sea “FT” la down force ejercida por el alerón trasero y “FD” la ejercida por el alerón delantero.

En un primer lugar, para que la estabilidad en recta se mantenga, FT*B = FD*a . Ambos productos han de ser iguales para conseguir el objetivo de estabilidad.

Si por ejemplo observamos que el auto tiene tendencia al sobreviraje (gira más de lo debido) hemos de quitar peso a la popa o poner peso a la proa (reducir la down force del alerón trasero o aumentar la misma en el alerón delantero). Hacemos el caso contrario si el auto posee una tendencia al subviraje. Notar que si hacemos esto, la relación matemática anterior no se cumple....

En función de los neumáticos elegidos, necesitaremos cierta down force para hacer que los neumáticos traseros y delanteros tengan la suficiente fuerza de agarre; esta down force vendrá generada por los alerones. De esta forma, podemos variar “al máximo” y apurar los pasos por curva, haciendo que el agarre sea máximo en curva para reducir el tiempo de paso; lógicamente también, hay que tener en cuenta el desgaste de los neumáticos, cosa que complica más.

Como podemos imaginar, en curva las actuaciones del auto cambian, y hemos de tener en cuenta todos los aspectos, no las simplificaciones o suposiciones que hemos hecho, para diseñar unos alerones adecuadamente; otro factor muy importante es la relación entre el sistema de alerones de proa y el de popa; es necesario saber si variamos o modificamos el alerón de proa, por ejemplo, “cuánto” debemos modificar el de popa.









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