Si hablamos de Downforce, puede que pienses que estamos utilizando algún tipo de jerga Jedi o Sith, pero aunque se utiliza la fuerza, no tiene nada que ver con midiclorianos ni nada relacionado con Star Wars. Estamos hablando del llamado Efecto Suelo, algo fundamental para un Formula 1 que ha visto como la aerodinámica es el factor más determinante en las victorias.
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| Lotus 78, uno de los primeros Fórmula 1 en aplicar el efecto suelo |
Para empezar hay que decir que el Efecto Suelo no actúa de la misma manera según el vehículo del que estemos hablando. Ciertos tipos de aeronaves vuelan gracias, entre otras cosas, a la creación de una zona de baja presión por encima de las alas y otra de alta presión por debajo de las alas. Cuando están lo suficientemente cerca del suelo, el aire que hay por debajo de ellas es presurizado contra el suelo, provocando que en esa zona de alta presión, la presión aumente todavía más, lo que a su vez conlleva un incremento de la sustentación. Esto permite que los helicópteros y los convertiplanos (híbrido entre avión y helicóptero) despeguen con más carga y necesiten menos potencia para mantenerse en vuelo estacionario cerca del suelo.
En el automovilismo se busca, al contrario que en aeronáutica, crear una zona de alta presión por encima del vehículo y una de baja presión por debajo. La diferencia de presiones provoca una succión que "aplasta" al vehículo contra el suelo (Downforce), mejorando el agarre, lo que se traduce en la posibilidad de trazar curvas a mayor velocidad.
En los vehículos diseñados con estos criterios, la parte inferior, el cuerpo del vehículo y, a veces incluso los flujos internos (aire de refrigeración, gases de escape, etc..) están diseñados para que el coche en su conjunto se comporte como un ala invertida. En esta perspectiva, la parte inferior del coche asume el papel de la parte superior del ala y esta geometría puede apreciarse incluso en los coches deportivos de serie. El término Efecto Suelo nos envía inmediatamente una imagen mental de los monoplazas de mediados de los 70 hasta principios de los 80. Ejemplo de ello es el Team Lotus de Colin Chapman, quien mandó en este camino. El Lotus 78 usó formas de ala invertidas colocadas dentro de los pontones creando dos grandes túneles de viento, pero fue el uso de faldas deslizantes lo que fue un golpe real y una fuerza aerodinámica radicalmente mayor.
Usa la Downforce, my friend
¿Cómo lograron este objetivo los mecánicos e ingenieros de Lotus? Muy resumidamente, basaron sus innovaciones en las alas de los aviones. En ellas, el flujo de aire genera diversas fuerzas sobre el ala, al igual que diversos cambios de presión, los cuales resultan en una fuerza vertical. Para ello, se basan en tres leyes y principios:
Principio de Bernoulli.
En la dinámica de fluidos, Bernoulli afirmó que un sólido no viscoso cuya densidad es invariable, la presión disminuye cuando la velocidad con la que circula es mayor. También ocurre el efecto contrario: a menor velocidad, mayor presión. Esto se resume en la famosa ecuación de Bernoulli.
Tercera ley de Newton.
O principio de acción-reacción. Afirma que a cualquier fuerza ejercida sobre un cuerpo le corresponde otra igual y de sentido contrario. De esta forma, cuando golpeamos una pared (ejercemos una fuerza sobre ella), la pared ejerce una fuerza similar y de sentido contrario sobre nuestra mano (razón por la cual nos duele y no se derrumba con facilidad).
Efecto coanda.
Cualquier fluido que circula alrededor de un sólido tiende a mantener una trayectoria paralela a la superficie. En otras palabras: las líneas de corriente de un fluido tienden a acercarse a la superficie del sólido curvo en lugar de mantenerse constantes.
Partiendo de estas tres leyes, explicar el funcionamiento del ala de un avión es relativamente sencillo:
Imaginemos las corrientes de aire como un grupo de láminas paralelas y maleables. Cuando el aire comienza a aproximarse al ala del avión, este conjunto de láminas se divide en dos masas diferenciables, una que sube por el estradós (zona superior del ala) y otra que se mantiene firme por el intradós (zona inferior del ala). Las que ascienden al estradós recorrerán una trayectoria mayor con una velocidad mayor; las que continúan por el intradós, recorrerán una trayectoria menor con una velocidad menor. Estas variaciones de velocidad afectarán a la presión.
Como podemos ver en la imagen, las “láminas” de aire que recorren el ala por la zona superior se adaptan al contorno del ala — efecto asociado a la viscosidad del fluido y al efecto Coanda. Dicha curvatura está generada por una fuerza centrípeta (perpendicular a la tangente de la curva en un punto cualquiera), originada a su vez por una diferencia de presión entre la cara superior a esta lámina y la cara inferior de esta lámina. Por lo tanto, conforme más próximos estamos a la cara superior del ala del avión, menor es la presión.
Si comparamos la presión de la lámina de aire más próxima al estradós (conocida como capa límite) con la lámina de aire más próxima al intradós, veremos cómo la presión de la zona superior es menor que la de la zona inferior. Esta diferencia de presiones genera una fuerza vertical conocida como fuerza de sustentación, la cual empuja el avión hacia arriba para lograr así el equilibro de fuerzas al que tienden todos los sistemas por inercia.
Como consecuencia de esto, las partículas de la zona superior se ven redirigidas hacia abajo (con una trayectoria diagonal) y aplican una fuerza al resto de partículas de aire inferiores cuando abandonan el contorno del ala (downwash). Aplicando la tercera Ley de Newton, surge entonces una fuerza igual y de sentido contrario, la cual también colabora a la sustentación de la aeronave.
Aquí también influyen otros parámetros como el ángulo de ataque, el grosor del sólido, los radios de curvatura del mismo, etc. Estos se modifican con el objetivo de mejorar la eficiencia del ala, añadir nuevas fuerzas en distintos puntos del ala y lograr por ejemplo el vuelo de aviones boca abajo; pero son despreciables para una explicación básica como esta.
¿Pero cómo se aplica todo esto a un Formula 1?
Ahora que conocemos el comportamiento de los flujos de aire alrededor del ala de una avión —y cómo estos permiten a la aeronave mantenerse en el aire—, conocer el efecto suelo es realmente sencillo. Simplemente, démosle la vuelta al ala del avión et voilà!. Y es que al invertir el ala del avión, las fuerzas son totalmente opuestas, generando así fuerzas negativas (hacia abajo).
Para comprenderlo mejor, observemos la siguiente imagen del Lotus 78, uno de los primeros Fórmula 1 en aplicar el efecto suelo:
Podemos apreciar como el aire se divide nuevamente en dos, pero el estradós y el intradós están invertidos. De esta forma, las partículas con mayor velocidad y menor presión se sitúan en el suelo del monoplaza, generándose una diferencia de presión respecto a la zona superior del monoplaza que provoca una fuerza hacia abajo como respuesta.
De la misma forma, también identificamos corrientes de aire diagonales salientes, las cuales, por la tercera ley de Newton, generan una fuerza extra que “empuja” el monoplaza hacia la pista, otorgándole así un mayor agarre y, por consiguiente, una mayor velocidad en curva.
Lotus 78, uno de los monoplazas que mejor lograron el efecto suelo.
El efecto suelo está parcialmente limitado en las principales competiciones automovilísticasEn el caso de la Fórmula 1, el efecto suelo quedó limitado a comienzos de la década de los ochenta. La razón no fue otra que la inseguridad del mismo. Los monoplazas comenzaron a recaer de forma excesiva en este efecto, lo que provocaba que la más mínima variación en los flujos de aire que circulaban por debajo del coche (la cual podría ser generada por por un bache o un piano elevado) se tradujera en un accidente grave. De hecho, esto se saldó la vida del famoso piloto Gilles Villeneuve.
En la actualidad, el efecto suelo sigue aprovechándose en los monoplazas de competición. La diferencia es que el fondo del mismo es totalmente plano —conocido como fondo plano—, limitando así la dependencia del mismo y protegiendo a los pilotos en caso de circular sobre un peralte. La magia de los ingenieros, en este caso, consiste en reducir los flujos de aire que circulan bajo el monoplaza sin tocar el fondo plano (ya sea con los alerones delanteros o con pequeños "labios" situados alrededor de los pontones). De esta forma, se consigue el mayor "vacío" posible.
El Brabham BT46B.
Fue un ejemplo de mejorar lo que Lotus ya había hecho. Los otros equipos protestaron en su diseño y, en una primera visita de los reguladores del deporte se confirmó las aleganciones de Brabham: que la función primordial del ventilador era enfriar fue el coche y cualquier otro efecto secundario era simplemente un beneficio adicional del diseño.
Por supuesto, nada más podría ser mayor a la verdad. El abanico era un elemento crucial para llevar el BT46B un paso adelante en la parrilla y de eso dio señales el Chaparral 2J que utilizó también dos faldones y ventiladores para vertir han utilizado también dos faldas y ventiladores para incrementar la carga aerodinámica.
Esta fue una forma inteligente de explotar los reglamentos, pero el propio equipo conocía que no era estrictamente legal y se retiró de la competencia después de sólo una carrera, con Niki Lauda ganando por más de 30 segundos.
Cuando los años 70 dieron paso a los años 80, se hizo evidente que los equipos estaban llegando a los límites y rechazaron las alas como soluciones para un efecto suelo aún más agresivo, no siempre con mejoras en el rendimiento.
A medida que aumentaban las velocidades de giro y las fuerzas de g, la FIA intervino, prohibiendo las faldas laterales en 1981 y obligando a una distancia al suelo de 6 cm.
Pero los equipos no estaban dispuestos a renunciar a la ventaja de rendimiento que el efecto suelo proporcionaba y ante ello llegaron nuevas soluciones. El "chasis gemelo" del Lotus 88 era una forma innovadora de superar el problema de la distancia ante el suelo, pero nunca corrió para alivio de sus pilotos quienes afirmaron que el coche era muy impredecible cuando lo probaron.
Brabham resolvió el problema utilizando la suspensión hidroneumática, que permitió que el coche se asentara a una altura reglamentaria en el pitlane mientras era sometido a escrutinio, pero luego , en la pista, se acercaba de nuevo al suelo.
La prohibición de los faldones que se introdujo en 1981 no fue suficiente y, como la situación llegó a tono febril, la FIA actuó de nuevo, con la introducción de un fondo plano para 1983 con el objetivo de eliminar el efecto suelo.
Como sabemos esto no detiene el progreso de los diseñadores y comenzaron a aprovechar los gases del escape, conduciéndolos al difusor para aumentar su efectividad, algo que era más fácil durante la era turbo debido a la abundancia del gas residual expulsado.
Los 80s fueron dominados por las disputas políticas de como el deporte también se convirtió en más un negocio, guiado por Bernie Ecclestone dirigiendo los destinos de los derechos comerciales y teniendo como meta maximizar el alcance global del deporte.
Se realizaron numerosos cambios para mejorar la seguridad dentro del deporte, ya sea para los pilotos o para los espectadores, mientras que la FIA comenzó a poner obstáculos en el camino de los motores turboalimentados, que producían más de 1000 bhp y se convertían, a su vez, en otra amenaza a la seguridad .
La FIA introdujo límites en los motores turboalimentados, que dictaban cuánto combustible se podía transportar y el nivel de refuerzo que se podía ejecutar, culminando en un tanque de combustible de 150 litros y hasta 2,5 bar de refuerzo para la temporada de 1990.
La F1 llega a ser un negocio y se enfoca en seguridad
Los años 90 comenzaron con más restricciones en cuanto al diseño del coche junto con un aumento en pruebas y procedimientos de seguridad, mientras que el deporte miraba cómo aumentar los estándares.
La muerte y el riesgo de lesiones habían sido durante mucho tiempo parte del deporte, lo que llevó a una limpieza de todo, desde el diseño del automóvil hasta las normas en pista.
Después de haber sido prohibidos una década antes, en 1994 el reabastecimiento regresó a la Fórmula Uno, donde se quedaría hasta 2010, pero esto fue sólo la punta del iceberg, con la FIA también prohibiendo las ayudas electrónicas. Esto alteró seriamente a Williams quien había establecido una ventaja casi incuestionable sobre sus rivales usando tecnología tal como la suspensión activa, ABS, control de la tracción y control del lanzamiento.
La pérdida de estas ayudas electrónicas fue significativa y tuvo un gran impacto en Williams, cuya maravilla tecnológica - el FW15c - fue consignado al capítulo de F1 de los coches que derrotó a las regulaciones sólo para causar un cambio significativo.
Dificultades para Williams aparte, nada pudo preparar el deporte para los acontecimientos que se desarrollaron en Imola, llevando a cabo la siguiente ronda que intentaría reinar en el progreso que habían hecho los equipos y llevar al deporte a un nivel más aceptable.
El más significativo de estos cambios giró en torno a la introducción de un tablón, limitando el comportamiento dinámico del coche y aumentando la altura de conducción, ya que los equipos se vieron obligados a evitar llevarlo más allá del límite prescrito.
También se realizaron cambios claves en las superficies aerodinámicas, como el difusor y el alerón trasero, en un esfuerzo por reducir las velocidades.
1995 vio una serie de cambios, ya que la introducción anterior de la tabla se complementó con otras restricciones sobre la forma y la altura de la sección central del coche, con un paso plano añadido.
Las limitaciones dimensionales se llevaron a otras áreas del coche también, incluyendo las alas delantera y trasera, tanto desde una altura como en un punto de referencia longitudinal.
También se introdujeron otras medidas de seguridad. El tamaño de la cabina aumentó, la estructura de seguridad delante del piloto era ahora más larga, mientras que las pruebas de impacto laterales de la celda de supervivencia se volvieron obligatorias.
En 1998 el cuerpo de gobierno del deporte todavía buscaba mandar en los esfuerzos de los diseñadores, realizando numerosos cambios que se pusieron en práctica para frenar los coches.
El ancho total del monoplaza se redujo a 1,8 m, lo que limitó las superficies aerodinámicas disponibles para los diseñadores.
Las desventajas mecánicas fueron agravadas por la introducción de neumáticos ranurados, ya que la FIA buscó formas de limitar las velocidades en el viraje. Los frenos también se colocaron bajo el reflector para tratar de mantener las velocidades controladas, con la capacidad y dimensiones puestas en las regulaciones por primera vez.
Esto limitó a los equipos a una sola pinza de seis pistones en cada esquina y un diámetro máximo del disco de 278 mm y 28 mm de espesor.
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