F1 técnica: Resistencia aerodinámica y aumento de la velocidad

Tema en 'Foro General BMW' iniciado por pacix, 7 Mar 2006.

  1. pacix

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    En competición, uno de los factores más importantes y decisivos, es el aumento de la velocidad; ello se consigue de varias maneras, pero la más importante es mediante la reducción de la resistencia.

    Introducción:
    Uno de los factores más importante en todo vehículo, es el relativo a la reducción de la resistencia; entre otras consecuencias, y no precisamente en el mundo de la competición, está la reducción del consumo de combustible.

    Métodos y sistemas para reducir la resistencia aerodinámica:
    Todos los principios de la aerodinámica, son aplicables y válidos para todos los diseños de cualquier vehículo; vamos a basarnos en los vehículos, que por su tamaño, más resistencia poseen, y por tanto, es más conveniente reducirla. Todos los sistemas y métodos sobre todo, que vamos a relatar, son aplicables a todo tipo de vehículos: coches, motos, barcos, aeronaves, maquinaria industrial, etc.​
    La zona de proa de los camiones o autocares, es quizás la zona más estudiada y resuelta hasta el momento; se colocan deflectores, pantallas, canalizadores Venturi, chorros de aire a presión a través de líneas de orificios o rendijas para retrasar la capa límite turbulenta (de igual modo que algunos aviones), pantallas de aire a presión para simular superficies sólidas, etc, con el objetivo de reducir la resistencia, con resultados muy eficientes:​
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    Podemos incorporar incluso un chorro de aire en el sentido del movimiento:​
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    Otro sistema, no sólo aplicable a la proa, es canalizar las oscilaciones del aire sobre las superficies; ello es más útil en zonas de baja presión (difusores de un Fórmula 1 por ejemplo):​
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    La zona central, caja o remolque, es inseparable de la zona de proa o cabina; una buena unión entre ambas, proporciona una reducción de resistencia muy apreciable:​
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    Otro de los factores determinantes en la resistencia total del vehículo, es la distancia “G” entre el fin de la cabina, y el inicio del remolque:​
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    Existen por otra parte, otros sistemas que vienen a rellenar los distintos tipos de uniones de cabinas-cajas que existen; si la unión entre ambas no es perfecta o la uniformidad se hace difícil, es posible colocar un dispositivo como el siguiente:​
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    Este dispositivo, suaviza los cantos o esquinas de la caja; tal es el caso de cabinas cuya anchura es menor que la anchura de la caja por ejemplo.​
    Otro dispositivo acoplable a la caja, es el de los faldones inferiores:​
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    De igual forma, se pueden colocar canalizadores Venturi, chorros de aire a presión a través de líneas de orificios o rendijas para retrasar la capa límite turbulenta (de igual modo que algunos aviones), pantallas de aire a presión para simular superficies sólidas, etc, e incluso dispositivos para disminuir la resistencia de fricción, fuerza muy importante en esta zona, como es lógico.​
    El aire, en su curso por encima de la cabina y el inicio de la caja, forma un vacío o zona de baja presión, que es necesario rellenar:​
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    El propio flujo o perfil de fluido, nos da el contorno a diseñar; el aire discurre allí donde menos esfuerzo le ofrece.​
    Veamos esto, de forma experimental; tomemos cierto diseño de camión, y construyamos las paredes en tela no tensada; si colocamos este modelo en el túnel de viento, observaremos que sobre la parte de proa de la tela se forman una serie de bolsas, causadas por la depresión que se origina, succionando la tela; la propia tela nos está diciendo dónde y de qué forma debemos construir las protuberancias sobre cada una de las 3 superficies.​
    El tamaño de dichas protuberancias, vienen determinado por las dimensiones de la cabina (forma, anchura y altura o vista frontal).​
    Vista de arriba y de lado (cabina en rojo):​
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    Otro aspecto importante a tratar, es el de la instalación en vehículos ya construidos; ello es complejo en la parte superior de la caja puesto que interferiría con el deflector superior de cabina (aunque haría disminuir la resistencia); en el supuesto caso que no lo tuviese, la solución sería óptima, por cuanto se puede crear un nuevo deflector superior que incorpore esta innovación.​
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    Es decir: en 2 piezas diferenciadas o incluso en una sola pieza.
    En el caso de ser 2 piezas, la altura de ambas ha de ser regulable.
    En los laterales, lo ideal sería algo parecido, pero esto es muy difícil de conseguir:​
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    Este sistema es muy eficiente como se puede comprobar experimentalmente, pero si intentamos crear algún dispositivo para vehículos ya construidos, éste, no es el idóneo.​
    En definitiva, siempre se tiende a no crear discontinuidades que aumenten la resistencia, y por consiguiente, aumenten el consumo de combustible:​
    De todas formas, podemos crear unos dispositivos relativamente universales:

    Vista de arriba y de lado:​
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    Vista de frontal y superior:​
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    Otro método, para optimizar la zona de proa con la unión de la caja, consiste en rellenar la zona intercaja, de tal forma que también cabina y caja sean articulados, en el caso de necesidad:​
    ¿Porqué se producen las turbulencias? Es una respuesta extremadamente difícil de responder; la mayoría de ocasiones, se debe fundamentalmente, a una gran diferencia de presiones, o a un campo de presiones muy irregular, periódico o no. Cuando una superficie avanza, deja tras de si un vacío que como tal, tiende a ser rellenado por aire circundante este relleno, dependiendo de la forma o característica evolutiva, puede producir turbulencias, con el consiguiente aumento de resistencia.​
    Por tanto, una manera de mitigar las turbulencias e incluso de evitarlas, es rellenar ese vacío o baja presión, producido por la propia dinámica de la superficie. Veamos una simulación CFD:​
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    Este relleno artificial, lo podemos realizar mediante la inyección de aire, allí donde se necesite; lógicamente, se trata de un sistema o método muy difícil de optimizar, ya que depende directamente de todas las características dinámicas del movimiento.​
    Sería por tanto, necesario modificar el caudal de inyección, la dirección, la velocidad, e incluso e punto de inyección, para optimizar su acción y ser verdaderamente rentable su implantación.​
    Otra de las posibles formas de mitigar la formación de turbulencias, es retrasarlas los más posible. Para ello se hace fluir sobre la superficie en cuestión, aire a más velocidad que el circundante; de esta forma, se retrasa la formación de la capa límite turbulenta:​
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    Algo muy parecido a los canales Venturi ya mencionados.​
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    Todo cuerpo inmerso en un flujo, forma una serie de turbulencias en la popa, que son las responsables de la mayor parte de la resistencia de forma y resistencia inducida.​
    Tales turbulencias, pueden ser periódicas, tales como los llamados Vórtices de Karman; estas estructuras, las podemos apreciar también a gran escala y en fenómenos atmosféricos:​
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    ¿Es posible mitigar o incluso eliminar estos vórtices o periodicidades? Es posible, mediante la incorporación de ciertos elementos físicos:​
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    Colocando un simple círculo (cilindro en 3 dimensiones), somos capaces de casi eliminar por completo la formación de turbulencias.​
    Es necesario puntualizar algunos aspectos:​
    • Las imágenes anteriores, no se refieren a ningún sistema de coordenadas, con lo que es posible elegir las más convenientes (x-y, x-z, y-z).
    • Es posible colocar dichos cilindros, en lados opuestos.
    • La colocación de dichos cilindros o sistemas análogos, se pueden sustituir por inyección de aire a presión, convenientemente situado y dispuesto.
    • Por último y como siempre, las dimensiones y diseño, posición y efectividad, dependerá de las características dinámicas del problema.
    El sistema:
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    También consigue el mismo efecto, además de dividir las turbulencias en otra más pequeñas cuya suma de resistencias, es menor.
    Otro sistema, variación del sistema anterior, es colocar un cilindro en la zona de popa (como antes) fijo, pero rotatorio; la velocidad de rotación de dicho cilindro, depende de la velocidad del camión, y ello provoca, la disminución de los vórtices de karman, gracias al efecto Magnus.
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    Incluso, es posible hacer que el cilindro sea autorrotativo; para ello, se diseña a imagen y semejanza del rodillo ventilador de los splits de aire acondicionado:
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    De esta forma, el avance del camión hace que rote dicho cilindro; cuanta más velocidad tenga el camión, más velozmente rotará el cilindro; el hecho que dicha rotación provoque una disminución de los vórtices de Karman, es debido en parte al efecto Magnus que se provoca, pero sobre todo a la presencia de las aspas. ​
    Podemos optar por una serie de dispositivos físicos, algunos de ellos relativamente fáciles de colocar, e incluso algunos de ellos, que no interfieren de manera significativa en el proceso de abrir las puertas de popa; otros, además, son fijos y no dificultan en modo alguno, la abertura la las puertas traseras; todos ello, cumplen una serie de objetivos:
    • - Dividir las turbulencias generadas, de forma que la suma de las partes más pequeñas, es menor que la grande u original.
    • - Aproximarse a la forma de una lágrima o gota de agua.
    • - Rellenar el vacío o depresión de popa: para ello, utilizan 2 procedimientos: deflectar aire directamente o conducirlo adecuadamente, o aprovecharse del efecto Coanda, para mantener el flujo adherido a una superficie.
    **​
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    ** Relleno de la depresión de popa: deflección de aire:
    [​IMG] [​IMG]
    ** Divisor de turbulencias:
    [​IMG]
    En este sistema, hay que determinar fundamentalmente 2 variables:
    - La anchura de las placas.
    - La posición de las mismas.
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    Si denotamos “Anc” la anchura de la caja:
    x = 0.06 Anc

    Si denotamos “L” la profundidad de las placas
    L = 0.36 Anc
    **
    [​IMG]

    ** Vista superior. Denotemos “d” la profundidad de cada una de las placas. Denotemos “Alt” la altura del remolque:
    d = 0.15 Alt ​
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    ** Si a esto le añadimos cierta curvatura, la eficiencia aumenta radicalmente.
    [​IMG]
    ** Dada la limitación de dimensiones máximas de un vehículo, es necesario diseñar un sistema que no sobresalga por ninguna de las paredes; por ello, se trata de un sistema o dispositivo, integrado en la plataforma (esto es muy importante sobre todo en competición, pues las Normativas son muy estrictas sobre estas dimensiones y tolerancias).
    Se trata de un conducto que comunica el aire de alrededor, con la depresión de popa:
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    El contorno rojo, corresponde a las paredes del vehículo.
    ** En multitud de ocasiones, y en especial en días de lluvia, nieve o incluso polvo, nos hemos encontrado con camiones, autobuses y demás vehículos (incluso coches, pequeños remolques, etc....), conduciendo detrás de ellos o simplemente en sentido contrario a su paso.
    En estas ocasiones, habremos comprobado que la visibilidad disminuye drásticamente, por cuanto se forman turbulencias al paso del vehículo en cuestión; si logramos mitigar dichas turbulencias, aumentaremos por tanto la visibilidad, y en consecuencia, la seguridad.
    [​IMG]
    ¿Cómo conseguir disminuir estas turbulencias? Disminuyendo la resistencia básicamente; no sabemos que es primero, pero están esencialmente unidas; la verdad, es que no podíamos soñar con un mejor deseo que éste.
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    Simplemente, con alguno de los sistemas anteriormente estudiados, podemos mitigar dichas turbulencias.
    Es más, estudiando más el dispositivo en cuestión, podemos optimizarlo de forma drástica, simplemente colocando una pieza sobre la parte inferior de popa:
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    Otro de los métodos utilizados para disminuir la resistencia aerodinámica (sabiendo que existen más resistencias que intervienen en un coche de competición, como lo es por ejemplo, la resistencia causada por el rozamiento sobre el asfalto de los neumáticos), es reducir la zona turbulenta; por ejemplo, tomemos el caso de una pelota de golf (y no estamos hablando del efecto Magnus directamente, aunque si indirectamente); una pelota de golf, en su transcurrir por el aire después de ser golpeada, avanza rotando sobre ella misma; una pelota de golf totalmente lisa, alcanzará menos distancia, que la misma pelota con orificios debidamente colocados y estudiados, o simplemente haciendo que sea más rugosa (pintura rugosa) por ejemplo; esto contradice el sentido común, pero la aerodinámica es así. Por ejemplo, tomemos ahora una pelota, la cual, en su avance, no rota sobre ella misma; alcanzará mayor distancia, aquella que posee una especie de hendidura, grieta o protuberancia anular; todo ello es debido a que se rompe la formación de la capa turbulenta, o mejor dicho, se retrasa:
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    Conclusiones:


    Hemos de fijarnos sobre todo, no tanto en los sistemas, sino en los métodos que se usan, en ingeniería, para reducir la resistencia; aplicando estos métodos en nuestro coche de competición y en el diseño de un coche de Fórmula 1, obtendremos como consecuencia inmediata (si bien hay que tener en cuenta multitud de parámetros y variables además), un aumento de la velocidad; en competición, esto, es más que importante.

    el que haya llegado hastá aquí que me lo diga y le envío unos sugus. ;-) :descojon::descojon::descojon::descojon:
  2. unora

    unora Guest

    +1 sugus :dan:
  3. CAMIRA

    CAMIRA Forista Senior Miembro del Club

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    Tanto estudio aerodinamico y tanta mecanica de fluidos, me da que pensar. Al final te veo comprando un retal de tela para fabricarte ese corta vientos Zetero. :)
  4. pacix

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    Ya estoy trabajando con unos diseños de gorra que integren cola aerodinámica... pero parezco un centurión romano de aquello del piene, ;-)
  5. Cocreta

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    Estoooo... muy bueno el título del post. Lo relacionas con la F1 pero te pasas el artículo entero hablando de aerodinámica de camiones!! :) :finga:
  6. pacix

    pacix Clan Leader

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    Marketing, marketing... pero la verdad es que el problema es el mismo y las soluciones también... y en los camiones son algo más cercano, algo en lo que te puedes fijar por la carretera apra ver si lleva rendijas, conductos, defelctroes y tal....

    Veo que debo 3 sugus.
  7. Sunner

    Sunner Forista Senior

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    Pacix, a la proxima carrera te llevo de ingeniero de chasis a ver si mejoro algo la aerodinamica del kart y no quedo el ultimo como siempre ;)
  8. pacix

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    Si estás dispuesto a que te disfrace de alerones..... ;-)

    4 sugus.
  9. deltona

    deltona

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    Cuidadin con las bromas... empieza como ingeniero de chasis y acabamos montando una escudería ehhhh.

    Buena información. Además después de ver el z /m /m /m que pusiste el otro día ya sabemos donde ponerle los apendices...aerodinámicos.
  10. miuq

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    Siempre me gusta ver un artículo sobre aerodinámica ... :)

    Aun recuerdo (todavia no hará un año), cuando hice mi proyecto de fin de carrera, que podeis observar aqui (esta en catalan .. [:>pray ):

    http://perso.wanadoo.es/sobao_martinez/ptfc.htm

    Lo que dices es verdad, aun y sabiendo mucho, cuando ves otros proyectos o cosas, o simplemente ves lo que te falta por saber, pareces un e-cenutrio :-s

    Podrias explicar algo mas de lo que estas trabajando?

    Hay alguna posibilidad de que yo tambien trabaje en algo similar, sabes de algun sitio? Estube un tiempo mirando ofertas de trabajo, pero era impossible entrar, y muy mal época, de momento me he puesto en un despacho de ingenieria, y voy haciendo, pero siempre me queda el gusanillo de haber trabajado en aerodinamica ... 8-[

    Sl2! y gracias por la información.

    PD. A ver si encuentro tiempo y me pohngo de una vez por todas a hacer la página web y pongo todo lo que hice en el proyecto, y tambien lo pongo en castellano. Si alguien quiere saber alguna parte del documento no tengo ningun problema en traducirselo.
  11. pacix

    pacix Clan Leader

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    Sinceramente, el reino de la aerodinámica está en Madrid: EADS, CASA, Airbus, Gamesa, otras mperesas que hace temas de composites para aeronautica, parafly, empresas de UAVs....tdo está en Madrid...en la mia, ahora no nos hace falta aeronauticos....si fueses teleco.... ;-)

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