miércoles, 19 de noviembre de 2014

ALERÓN DELANTERO DE UN F1: ANÁLISIS DE SUS COMPONENTES PARTE 1



 
Muchas veces me pregunto ¡Cuántas cosas tiene un alerón delantero! Soy un hombre de fe y creo plenamente en los dioses de la ingeniería cuando pienso que todas ellas servirán para algo, aunque muchas veces lo pongo en duda cuando veo a los pilotos rodar al mismo ritmo con estas piezas medio rotas.
Los alerones delanteros de los F1actuales  pueden llegar a ser muy complejos, en los circuitos de mucha carga aerodinámica o más "simples" en los de poca pero siempre suelen tener una estructura básica que vamos a entrar a analizar en este artículo.

Diseñar un alerón delantero no es nada sencillo. Para conseguir que funcionen a la perfección influyen tantos factores que obtener el ideal es imposible. Llegan a ser tantos y tan pequeños los factores que controlarlos todos es una quimera y pongo un ejemplo. Una simple variación en la presión de los neumáticos  hace que se modifique su perfil y al cambiar su forma ya varían los resultados. Recordar todo lo que montó con el Pirelligate cuando muchos de los equipos no querían que cambiaran la estructura interna del neumático ya que producía cambios en su perfil. De cambios  mayores mejor ni hablar pero una simple modificación en las suspensiones puede hacer variar la altura del morro y ya la hemos liado. Son tantos y tan variados que los ingenieros andan locos modificando en cada carrera su geometría de ahí que sean una de las piezas que  más cambia a lo largo de la temporada.
Antes de entrar en faena sería conveniente saber que estas piezas de ingeniería tiene una función más importante de lo que todos creemos. La idea general es que su función es generar carga aerodinámica en la parte delantera del coche, algo que es totalmente cierto pero ha ido evolucionando tanto con el tiempo que en la actualidad cualquier cambio insignificante es su fisionomía puede llegar a producir cambios importantes en la parte trasera del coche.

Historia
Lotus fue el primer equipo en utilizar las alas de perfil aerodinámico, concretamente en la parte traseraque aparecieron a mitad del año 1968. Los ingenieros de la época  conocían las mejoras en el rendimiento que producían estos elementos pero faltaban aún muchos años de ensayo y error para convertirlos en la delicada pieza de ingeniería que son a fecha de hoy. Originalmente estas alas se atornillan directamente a la suspensión y fueron apoyados por puntales delgados. Las alas se llegaron a montar varios metros por encima del chasis del coche para encontrar  aire limpio pero se prohibió después de varias roturas que produjeron accidentes casi mortales de necesidad. La FIA obligo los equipos montar las alas directamente a la carrocería.
Lotus 49B
El nacimiento del alerón trasero obligó a la aparición del delantero. Utilizar un gran ala en la zaga  descompensa a cualquier coche ya que un aumento importante de carga en el tren trasero genera una falta total de adherencia en el tren delantero al desplazarse el centro de gravedad hacia atrás y descompensa la distribución de pesos en las cuatro ruedas. Esto hace que el coche tenga una tracción brutal  pero solo serviría si el coche circula recto ya que cuando llegue la primera curvar, la falta de agarre en el tren delantero impedirá que el coche pueda tomarla.  Recordar que es necesario tener un equilibrio entre las fuerzas que empujan las ruedas contra el suelo en los dos ejes para que el coche sea estable, tanto en recta como en curva. De esta manera, si la carga es excesiva en el tren delantero, el coche tomará las curvas a la perfección, pero tendrá poca tracción en las rectas.
En los primeros años los alerones delanteros eran simples y pequeños aditamentos metálicos. Con el tiempo fueron evolucionando y ganando en complejidad de diseño y de funcionalidad. Basta comparar la trompa del Matra MS10 de 1968 de abajo con sus pequeños spoilers con la complejidad de los actuales.

Matra Ms10

En la actualidad esta pieza ha ganado importancia dejando de ser el mero equilibrador del balance aerodinámico del coche como fuera en sus orígenes a ser el responsable directo del 25% de la carga del coche y de otro porcentaje  menor que consigue de forma indirecta en la zona del difusor. 
El alerón delantero, a diferencia del trasero, no sólo proporciona carga aerodinámica al eje delantero del coche, sino que es el encargado de organizar todo el flujo de aire alrededor del monoplaza. El objetivo a buscar: Intentar que circule ordenado  la mayor cantidad de flujo posible por encima del suelo para que llegue a la parte trasera del coche y así aumentar la carga que se genera en la zona del difusor. ¿Cómo? Seré malo y os dejaré intrigados pero la respuesta requiere extenderse y dedicaré un artículo en explicarlo.

La normativa actual redujo su anchura, pasando de los 180 centímetros anteriores a 165 actuales para disminuir la carga que generaban. Más pequeños, menos carga. La geometría sigue siendo la misma, una zona central plana y dos extremos que generan carga gracias al empuje hacia abajo que ejerce el aire cuando el coche esta circulando. Sólo un dato, el alerón trasero que normalmente se utiliza en Mónaco puede pesar unos seis kilos y llega a generar 340 kg de empuje hacia abajo a máxima velocidad. No sé exactamente los valores del delantero pero puede rondar los 200 kg de empuje con facilidad.
Bien, una vez llegados a este punto sería necesario analizar los diferentes componentes del alerón y para ello mejor empezar mostrando un esquema gráfico de los elementos para que todos tengáis claro de que estoy hablando.


Para no hacer demasiado largo el artículo voy a dividirlo  en dos entregas para así hacerlo más ameno y didáctico. Hoy voy a analizar dos elementos del ala y para la siguiente entrega el resto de componentes. Vamos al lío.

Ala Principal. 
Las flechas rojas señalan el ala principal.
El ala principal (mainplane en ingles) es la pieza que se utiliza como soporte del resto de los componentes del alerón. Recorre gran parte de la anchura del coche y se  conecta con el morro mediante dos pilones que varía de tamaño dependiendo de los diseños, siendo los utilizados por Lotus en su E22 los más voluminosos. Cuando la FIA estudió hace años cómo mejorar los adelantamientos determinó que los alerones anchos facilitaban estas maniobras  pero vieron que aumentar su tamaño  ofrecería demasiado apoyo de ahí que en 2009  decidieran obligar a los equipos a diseñar sus alerones con una sección central que se ajustara a una plantilla de la FIA fijaba. De esta forma se reducía en parte la carga que podía crear el alerón en su conjunto pero obtenía los beneficios de tener los extremos más grandes que hacía menos sensible a las turbulencias cuando el coche circulaba pegado a otro rival.  Así, esta sección central de 50 cm de ancho es neutra, no ofrece apoyo, y los equipos no pueden inclinarla para que lo haga. Con esta medida los monoplazas  pueden circular más pegados sin verse afectado por la estela del coche que le precede  y así facilitar las maniobras de adelantamientos a los pilotos.
Alerón que utilizaba el canal central para conseguir carga aerodinámica.

Ese canal central del morro recibe la mayor cantidad de aire “limpio”, es decir libre de turbulencias para ser distribuido por el suelo hasta el difusor. Todos, en mayor o menor medida han utilizado la combinación del ala principal con los pilares que lo fijan al morro para crear una especia de tubo que potencia el efecto Venturi y así generar carga en una zona que estaba desprovisto de ella. Grano a grano hace granero.

Alerones secundarios.

Es la parte más compleja con diferencia. Sobre el ala principal  se instalan una serie de alerones secundarios (flaps)  a cada lado del cono de la nariz que normalmente son asimétricos. No hay restricciones a la hora de colocar elementos sobre el alerón, los equipos pueden colocan todos los flaps que quieran sobre el ala principal. Sus formas son muy complejas y tienden a estar unidos a las derivas laterales aunque los ingenieros las fijan al ala principal mediante unos soportes que permiten cambiar el ángulo de ataque con facilidad y así ajustar la parte delantera del coche a los gustos del piloto si notan que existe sobre o sub viraje. Estos flaps disminuyen su tamaño a medida que se acercan al morro. Eso es vital para que cumplan una función de eficacia global. Voy a explicarlo un poco pare entenderlo mejor.
Como dije antes, los alerones delanteros tienen como función principal generar carga para mejorar el agarre en el tren delantero pero si a la vez que se consigue ese objetivo los ingenieros pueden reducir la resistencia que generan las ruedas, facilitar que llegue un flujo de aire fresco a los pontones donde se sitúan los radiadores para mejorar la refrigeración y crear potentes vórtices que canalicen de forma eficiente aire a la zona del difusor que de otra forma se perdería, mejor que mejor. Pues todo eso se consigue con los alerones secundarios. Vamos por partes y empezaré a describir los elementos desde fuera hacia dentro.
Si tuviéramos que elegir un elemento discordante, aerodinámicamente hablando en un F1 esas son sin lugar a dudas las ruedas. Ellas son las encargadas de crear la mayor fuente de resistencia que un Fórmula 1 genera. Esto provoca hasta un 60% de ineficiencia aerodinámica (el aporte en la resistencia total suele ser de un 40%). ¿Cómo mitigarlo? Impidiendo que la mayor parte del flujo que pueda incidir sobre ellas se desvíe hacia los laterales y en una menor mediada curvarlo hacia arriba para que incida en la mitad superior de la rueda, una zona donde la resistencia es más reducida ya que facilita el paso del aire por arriba. La parte externa de las alas son responsables en gran medida de hacerlo pero aún quedan dos elementos más que también lo consiguen, el end plate y las cajas de flaps que veremos en el siguiente artículo.

Una vez sorteada la zona de las ruedas la superficie del ala va disminuyendo paulatinamente para cambiar la función a realizar. La zona intermedia tiene doble función:
A-    Desviar hacia arriba el aire suficiente para que llegue a los radiadores y una pequeña parte pueda alimentar también las tomas de refrigeración de los frenos, si es que hay. Si no se produjera esa reducción y se mantuviera la altura constante no llegaría el suficiente flujo a los pontones y la temperatura del motor se elevaría demasiado.
B-    Originar un vórtice  que es canalizado a lo largo del coche que pasa junto a la parte interior de la rueda y las suspensiones.

Vemos el vórtice creado por la zona intermedia del ala, pegado a la parte interna de la rueda.
Recordar que los vórtices son remolinos, una especie de mini tornados que se crean para canalizar mejor el flujo de aire a la parte trasera del coche. Se forman por la interacción del flujo de aire a partir de dos o más superficies, que hacen que el aire empiece a girar muy rápido en un movimiento circular. Cuanto mayor sea la fuerza de giro  mayor  cantidad de flujo arrastrará  haciendo circular al aire de manera más rápida y eficiente que trae como consecuencia un aumento en la carga aerodinámica sobre el alerón delantero. Un vórtice convenientemente canalizado a lo largo del coche genera carga también en la parte trasera del monoplaza ya que aumenta la cantidad de aire que llega al difusor, que de otra forma no llegaría. Así se consigue una diferencia de presión mayor entre la parte superior e inferior mejorando su eficacia.

Vórtice Y250 en el RB9. Gp Brasil 2013

Por último llegamos a la parte más cercana a la zona neutra, para mí la más incesante de todas. Hemos dicho que la FIA obliga crear una sección central neutra en el centro del morro que mide 50 cm. La lógica nos haría pensar que los equipos utilizaran todo ese espacio para dirigir aire limpio de turbulencias a la parte trasera pero no, prefieren utilizar una parte de esa zona neutra para ese cometido, normalmente la que se canaliza por debajo del morro y utilizar el resto para crear  un vórtice muy potente llamado Y250 con los dos bordes más cercanos al canal central del alerón. En una imagen de dicho elemento vemos como las puntas, que pueden estar unidas o no, son las responsables de crearlos.

Su nombre se debe a que su centro está situado en un eje imaginario situado a 250 mm del eje central del coche. Este vórtice tiene también la 'capacidad' de succionar aire del fondo plano con la consiguiente mejora aerodinámica del conjunto y sellar mejor el difusor. Cuando se extrae aire de abajo del coche se genera una especie de “vacío”, que pega más el coche al suelo. Para que lo entendáis mejor, hace el mismo efecto que una ventosa.  

Por un lado todos los elementos de las alas secundarias que conforman la sección más cercana al morro están encaminados a crearlo y por otro hay una serie de elementos a lo largo del coche que se encargan de encauzarlo. La labor de canalización se encargan los pilares frontales que anclan el ala con el morro, las paleta situadas debajo la morro también llamados turning vanes y por último el divisor de la bandeja de Te y los bajos de los pontones.
Pilares del alerón (derecha) y turnig vanes (circulo).
Tanto los pilares como los turning vanes encauzan el vórtice a la vez que impiden que el mismo extraiga aire limpio de turbulencia del canal central, de ahí que siempre tengan una forma curva que mira hacia fuera, para adaptarse mejor a la forma redonda del remolino. El objetivo es que dicho torbellino fluya a lo largo del coche con las mínimas alteraciones   para que llegue con gran parte de su potencia al difusor sea más eficiente. Para ellos se socava los pontones, se despeja de elementos la trasera, etc.   


Conseguir que estos dos vórtices  circulen muy próximos entre si sin interferirse es la gran asignatura de los aerodinamistas. Vimos en un artículo anterior que gran parte de los problemas que padece McLaren este año se debía a este efecto. Dos vórtices que giran en sentido contrario - uno en sentido horario y el otro en sentido antihorario – situados muy cerca entre si interactúan entre ellos de tal forma que se aceleran mutuamente aumentando dramáticamente la carga aerodinámica gracias a que  succionan una mayor cantidad de flujo de aire sobre el alerón delantero.

Vórtices acelerándose mutuamente.
Recordad que cuando el coche circula a velocidades muy altas la cantidad de aire que llega a esas piezas aumenta considerablemente de ahí la necesidad de una evacuación eficaz. Por tanto para conseguir un trabajo conjunto  los ingenieros tienen que ser capaces de situarlos a la distancia adecuada y ahí radica la dificultad. En definitiva, los equipos tienden a crear la mayor cantidad de carga aerodinámica posible es partes externas del alerón delantero aumentando la  presión en dichas zonas y dejar libre de perturbaciones la interna. ¿Por qué? Tiene su lógica. Añadiendo/quitando flaps por un lado o aumentando/disminuyendo los ángulos de ataque de los mismos pueden variar la carga necesaria de los F1 para adaptarse a cualquier circuito, algo vital para que un monoplaza que desee ser eficiente pero se quiera o no, generar carga siempre produce perturbaciones que pueden interferir en otras partes del coche. Alejar esas perturbaciones a los extremos permite gestionar mejor el flujo de aire que se canaliza por el centro del coche.
La tendencia general de los equipos puesta de moda hace un par de años por Red Bull es utilizar un diseño de ala estándar, es decir encontrar un diseño del alerón estable en sus elementos principales (ala principal, mismo número y forma de las secundarias) que permita una circulación óptima del aire por el coche y dejar ciertos elemento secundarios que se van añadiendo o quitando dependiendo de las necesidades de los circuitos. Era curioso intentar analizar los alerones utilizados por ellos en pistas tan diferentes como son Monza y Hungaroring y no encontrar diferencias en los mismos, algo que sería ilógico pensar. Se quiera o no modificar de forma radical toda las alas para adaptarla a cada pista te hace modificar todo el tránsito. De esta forma se obtiene de manera "sencilla" mantener estable lo ya conseguido y sólo cambiar ciertos elementos para pulirlo.         
Bueno amigos, hasta aquí la clase de hoy. La próxima intentaré analizar el resto de componentes, pero eso será otra historia.