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CONCEPTOS CLAVE

La capa límite y los flujos laminar y turbulento en un Fórmula 1

Ángel Pino   25 de Agosto 2012 15:50

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Vista aérea del Red Bull RB5 de Mark Webber

En este artículo técnico vamos a desarrollar unos conceptos que, si bien no están de moda como puedan ser el DRS-Duct, el difusor, el 'morro pato' u otros, cuestiones más concretas y específicas, son más generales e importantes, ya que son fundamentales en el diseño de los monoplazas y, al fin y al cabo, son la base del funcionamiento y comportamiento de los anteriores elementos citados: la capa límite y los flujos laminar y turbulento.

Estos conceptos forman parte de la aerodinámica, que, como ya sabemos, es vital en la Fórmula 1: desde que los alerones llegaran de la mano de Colin Chapman en el Gran Premio de Mónaco de 1968, se ha convertido en el factor que marca la diferencia. La aerodinámica es una rama de la Mecánica de Fluidos, un campo que se dedica al estudio del movimiento de los fluidos y su acción sobre los cuerpos, en este caso, sobre los monoplazas. Es lógico, por tanto, dar una definición de fluido.

¿Qué es un fluido?

Tradicionalmente se nos enseña que hay tres estados fundamentales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Fluido engloba los dos últimos, líquido y gaseoso, en los que la materia está formada por un conjunto de partículas ligadas entre sí con menor fuerza que en un sólido; deformándose y fluyendo indefinidamente ante fuerzas externas. Viscosidad y compresibilidad son las dos propiedades mecánicas que caracterizan a los fluidos; aunque a velocidades inferiores a la del sonido, como es el caso de la F1, los gases son prácticamente incompresibles. Por ello, la viscosidad, es decir, la fricción o resistencia entre las capas de partículas, es el factor clave.

Partículas de aire alrededor de un perfil aerodinámico

Al estudiar el comportamiento del aire alrededor de un monoplaza, se considera que éste fluye en láminas o capas de partículas, unas encima de otras que, en condiciones normales, tienen un movimiento ordenado. En las capas que están muy separadas del F1, los efectos de la fricción entre el monoplaza y el aire no son importantes. Es en esta zona más 'tranquila' donde se sitúa, por ejemplo, la toma de presión o tubo de pitot.

La capa límite

No obstante, sobre la pared del monoplaza, la velocidad relativa del aire es cero: es decir, cuando las partículas entran en contacto con el monoplaza, este las arrastra consigo debido a la fricción y, por tanto, si tomamos como referencia el propio monoplaza, las partículas tienen velocidad cero. Esta lámina de partículas cuya velocidad relativa es cero fricciona con la capa contigua, oponiéndose a su movimiento, aunque al tratarse de un fluido y las ligaduras entre moléculas no ser tan fuertes, no puede frenarla del todo.

Así pasa sucesivamente, las capas friccionan y se oponen al movimiento de la contigua, cada vez con menos fuerza hasta que la fricción se disipa del todo y las capas fluyen con normalidad. Esta región alrededor del monoplaza que va desde la pared del mismo hasta la capa cuya velocidad es aproximadamente la misma que la de las que no interaccionan con el vehículo es la capa límite. Es una región dentro de la cual los efectos de la viscosidad son muy significativos y su estudio es muy importante en la aerodinámica de cualquier vehículo.

Régimen laminar y turbulento

En esa configuración, la capa límite circula en lo que se conoce como régimen laminar: las partículas fluyen en láminas separadas y de forma ordenada, sin interferir unas con otras. Sin embargo, el espesor de la capa límite puede aumentar en su recorrido alrededor del monoplaza o cualquiera de sus elementos en mayor o menor grado dependiendo de factores como, por ejemplo, la forma de éste y el ángulo de incidencia.

Paso de régimen laminar a régimen turbulento

A medida que avanza la corriente el espesor de la capa límite crece debido a que el aumento de la presión supone un obstáculo al avance del aire. Cuanto mayor sea la presión, más dificultades tendrán las partículas para seguir avanzando, hasta que llegue un momento en el cual no puedan avanzar más y retrocedan hacia atrás en busca de zonas de menor presión. Esto hace que se comiencen a formar pequeños torbellinos de partículas, dando inicio a lo que se conoce como capa límite turbulenta y dando lugar al desprendimiento de la capa límite.

El alerón trasero

Por ello es importante el estudio de la capa límite en el diseño: las formas de los elementos aerodinámicos deben ser muy analizadas para asegurarse de que la capa límite discurre en régimen laminar. Por ejemplo, los alerones traseros no son de una sola pieza, sino que están formados por dos planos separados por una ranura. El porqué de esto se encuentra precisamente en lo que se acaba de explicar.

Si el alerón trasero estuviera formado por un solo plano, la curvatura total del mismo sería tal que sería imposible evitar que se desprendiera la capa límite en la parte inferior del alerón. Al desprenderse la capa límite de la parte inferior del alerón, no hay ningún flujo de aire pegado al mismo que provoque succión al pasar y genere down-force: se dice que el alerón ha entrado en pérdida. Al dividir el alerón en dos planos, conseguimos que la curvatura se divida en dos recorridos de menor longitud, evitando el desprendimiento.

Alerón trasero con doble plano por delante, del Force India, y por detrás, del Marussia

La capa límite turbulenta ofrece mucha mayor resistencia aerodinámica y por ello, a la hora de diseñar los monoplazas, se busca retrasar al máximo la aparición de la misma y el consiguiente desprendimiento de la capa, que origina turbulencias que restan o anulan la efectividad aerodinámica a los elementos del monoplaza. Es vital que la capa límite permanezca en régimen laminar puesto que los alerones y demás elementos basan su funcionamiento en diferencias de presión de las corrientes que los rodean que sólo se producen si los flujos de aire permanecen pegados a los mismos. Una vez que el elemento termina es inevitable que el flujo se desprenda, pero gracias al Efecto Coanda, es posible redirigir estos flujos a otros elementos y, por ello, sigue siendo deseable que se haga con la menor presencia de turbulencias posibles.

El F-Duct

Sin embargo, ya hemos visto en el pasado cómo, en ocasiones, se ha buscado el desprendimiento de la capa. Es el caso del famoso F-Duct, ahora prohibido y reinventado de la mano de Mercedes AMG, con su famoso DRS-Duct, que también será prohibido la temporada que viene. La lógica ya conocida del F-Duct era la siguiente: el alerón trasero, como cualquier elemento, genera down-force pero a cambio de cierta resistencia: si sacas la mano por la ventanilla del coche y la inclinas levemente, la fuerza del aire la empuja hacia arriba, pero a cambio tienes que hacer fuerza para que no te empuje hacia detrás.

F-Duct del Ferrari F10

Este down-force, en curvas, es muy beneficioso, porque permite aumentar la superficie de contacto entre neumático y asfalto, con el consiguiente aumento del agarre, lo cual permite tomar las curvas a mayor velocidad; la ganancia compensa la resistencia aerodinámica generada. Sin embargo, en recta el down-force no es necesario y la resistencia disminuye la velocidad punta. El F-Duct era un conducto que soplaba aire justo en la ranura de separación entre los dos planos del alerón trasero, haciendo que la capa límite se separara y el alerón entrara en pérdida, dejando de generar resistencia.

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