Principios y propiedades basicas de la Formula 1

Tema en 'Foro BMW F1/Racing/Competición' iniciado por blaki, 7 Jul 2007.

  1. blaki

    blaki Capullo Leader Miembro del Club

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    Abstract:

    Cuando una persona, intenta conocer algo, intenta o pretende averiguar el proceso de cierta actividad, es irremediable empezar por las bases de dicha actividad; perece de perogrullo esta consideración, pero existen muchos campos y materias, sobre todo las técnicas, en que esta afirmación no se tiene en cuenta; si ello pasa, se está empezando la casa por el tejado; la adquisición de la base en general, de los principios fundamentales y todo lo que conlleva, implica un mejor conocimiento y una mejor adquisición de las herramientas que nos van a permitir desempeñar la actividad de modo seguro y sobre todo, eficiente. En el mundo de la Competición, ambos aspectos, son más que importantes.

    Introducción:

    La dinámica de cualquier fluido, viene determinada básicamente, por 2 aspectos:
    • Las propiedades de dicho fluido.
    • Las leyes o principios que regulan y marcan la evolución o dinámica.
    Estas son las 2 cosas que vamos, en este artículo, a exponer; lo vamos a hacer de una forma sencilla, clara y concisa, sin aditamentos varios que ensombrezcan el fondo, sin ecuaciones matemáticas “raras”, sin demasiado número, si bien, entendiendo y sabiendo, que la aerodinámica, es una de las ciencias, en la que el conocimiento de las matemáticas y la física, tienen más importancia. ​
    He conocido a mucha gente que cree que la aerodinámica es una actividad digamos de “vista”; incluso en equipos de alta competición, creen que diseñar cierto elemento aerodinámico, es simplemente ver y observar con “detenimiento” la estructura del coche, y como por arte de magia, te venga a la cabeza cuáles son las dimensiones y posición del apéndice o estructura aerodinámica que pretendes estudiar y colocar; es como si el hecho de observarlo atentamente, diese la capacidad extrasensorial de calcular mentalmente, de resolver ecuaciones complejas y sistemas sin ordenador alguno, etc. Todo diseño o actividad, como en este caso, conlleva un proceso, que no es posible omitir ni saltarse: una simulación CFD no es posible realizarla, si no se tiene el modelo del coche en formato CAD apto para el software CFD, por ejemplo.
    En posteriores artículos, veremos esto con más atención, haciendo hincapié en el propio proceso, por ejemplo, de una simulación CFD, o de un ensayo, bien en túnel de viento, bien en circuito.
    Las cosas se empiezan siempre, desde el principio, y desde estas líneas, así lo vamos a hacer.
    Definiciones y Propiedades del aire

    Partiendo desde esta última premisa o condición, empezaremos definiendo y analizando, las distintas propiedades del aire, puesto que el aire, es el fluido donde nos vamos a mover; de todas formas, las propiedades son extensibles automáticamente, a todos los fluidos, en general.
    Fluido:
    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, pero bueno....), 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. De todas formas, más adelante veremos que esto, no es exactamente así.
    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 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.
    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 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.
    Presión:
    Esta característica, está muy unida a la densidad. Existen, podríamos decir, 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.
    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.
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    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.
    Relaciones:
    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.
    Otras:
    Existen otras propiedades de los fluidos, como la tensión superficial por ejemplo, pero son menos importantes y poco decisorias en el diseño de un coche de competición.


    Leyes de la Aerodinámica:
    Una vez hemos visto las propiedades más importantes del aire, hemos de pasar a las leyes o principios que rigen toda dinámica o evolución temporal. La verdad es que en un principio, cabe decir que existe sólo una ley universal que rige toda dinámica; de hecho, con tan sólo una ley, principio o como se quiera llamar, está definida toda la Aerodinámica, sea de coches de competición, Aeronaves, Motos, barcos, etc.... alucinante verdad? Pero es así; la ley dice:
    “Todas las partículas tienden a situarse en aquel estado de mínima energía”. Ya lo decía Einstein: “El Universo es perezoso”.... cuánta razón tenía...
    Por ello mismo, por ejemplo, el aire siempre circula desde una zona de alta presión hacia otra de baja presión.
    Parece simple, pero no lo es; existen diferentes tipos de energía; básicamente 3: por altura o cota, por velocidad y por presión. Por si fuera poco, existe otra ley de termodinámica que dice (seguro que la recordaremos) que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma; pues ya lo tenemos todo: hemos definido los 3 tipos de energía existentes, y encima hemos encontrado la relación entre ellas ¡¡¡¡. La ecuación matemática o modelo matemático que recopila todo lo dicho, se denomina Ecuaciones de Navier-Stokes; resolviendo dichas ecuaciones o modelo, seríamos capaces de averiguar cualquier aerodinámica o dinámica en cualquier contexto; incluso podríamos saber si dentro de 3 años, 2 días y 45 segundos, lloverá o no lloverá.... pero existe un problema: son unas ecuaciones que no se pueden resolver analíticamente; hay que resolverlas numéricamente, es decir: con ordenador y técnicas CFD (ya veremos esto en posteriores artículos).
    Esta dinámica y su modelización, conlleva una serie de efectos, sin los cuales, no podríamos diseñar coche de competición alguno, y gracias a ellos, podemos disfrutar de nuestro deporte (al igual que volar, navegar, etc....).
    Efectos
    Venturi / Bernouilli:
    Prácticamente ya lo hemos definido; sabemos que existen 3 tipos de energía; la potencial (por cota o altura), la cinética (por velocidad) y la de presión; 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; de esta forma, si la presión aumenta, la velocidad ha de disminuir y viceversa; esto es algo, que todos hemos oído en alguna ocasión: que la presión es inversa a la velocidad.
    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.
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    Bajo este principio, podemos entender y comprender la sustentación de un ala cualquiera (o perfil aerodinámico en general):​

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    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.​
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    Capa Límite:
    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, 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.
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    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.
    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.
    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.
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    Cuando hemos visto el fenómeno de la sustentación, podíamos apreciar que el aire se pega sobre la superficie, observando también el efecto Coanda sobre ella.​
    Conclusiones:
    Hemos intentado, como siempre vamos a hacer, dar una visión general, de las propiedades y características que todo fluido tiene, así como las leyes o principios que rigen y marcan cualquier dinámica, en nuestro caso la aerodinámica.
    Hemos intentado desarrollar y explicar todos los términos de una forma sencilla y clara, sin ecuaciones matemáticas, si bien es cierto, que en posteriores artículos, necesitaremos utilizarlas para poder cuantificar.
    Estamos seguros que más de un lector, pensará que nos hemos olvidado incluso de algún parámetro o propiedad, o quizás piense que nos hemos dejado algún principio importante; pues no; todo el mundo piensa, y no le falta razón en absoluto, que la aerodinámica y el diseño en particular, es algo complicado, arduo y difícil, y en realidad es así, pero ello no implica que se pueda definir de una forma sencilla y clara, tal y como lo hemos hecho desde estas líneas.
    Cuantas menos y más simples sean las fuerzas primarias que gestionan o describen un fenómeno, más desorden y caos con respecto al tiempo y también al espacio, existirá: por ejemplo, es más sencillo predecir la evolución de la bolsa, que la evolución o dinámica de un fluido, las variaciones de un péndulo o simplemente dónde puede caer una piedra lanzada por nosotros. Pero también: cuanto más fácil nos parezca un problema, tanto más difícil nos será encontrar su fundamento, leyes e interdependencia entre factores, y tanto más difícil simular su evolución en el tiempo. Sin caos, no hay evolución, vida o cambio de ningún tipo.
    Esto nos lleva al enunciado de una nueva visión del caos: cuanto más impredecible sea y más difícil sea la resolución de un problema o un fenómeno, tanto más sencillos y simples serán sus fundamentos y las leyes que lo rigen.
    Esta es la esencia de la Aerodinámica: es extremadamente compleja, luego por lo tanto y así lo es, las leyes son simples y escasas.
    En el próximo artículo, analizaremos las formas aerodinámicas principales, el porqué de ellas y sus distintas aplicaciones en un coche de Fórmula 1

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