Aerodinamica...Cuando los autos vuelan

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Roberto Calderon E.
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Aerodinamica...Cuando los autos vuelan

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Uno de los principales objetivos aerodinámicos en los últimos tiempos es el efecto suelo, que aprovecha el flujo de aire que pasa por el auto para aumentar la velocidad del auto en lugar de perjudicarlo por la oposición que el viento ofrece.

En los Sport Prototipos, y en muchas categorías del automovilismo, el fondo del auto era plano por reglamento para evitar los peligrosos autos-ala que proliferaron en la Fórmula 1 a finales de los años setenta y principios de los ochenta. Aún así los diseñadores buscaban (y buscan) con lo que tenían a la mano para lograr dicho efecto. Existen algunos aspectos básicos para obtener el efecto suelo pero sin violar el reglamento:
- La distancia entre el chasis y el suelo no debe exceder los 10 cm ni ser menor a 5, para que el efecto suelo sea posible y a la vez seguro.
- El centro de gravedad del auto debe ser lo más bajo posible.
- Para que el efecto suelo exista, el chasis debe formar una apariencia de ala invertida.
- El ancho de vía trasera debe ser menor a la delantera: el ancho del auto debe ser lo máximo permitido por el reglamento.
- Para que el coche no pierda estabilidad ante la fuerte presión, es imprescindible contar con alerón trasero. La carga aerodinámica dependerá del diseño de cada auto y de la rapidez del circuito.
- La extracción y salida del aire para su refrigeración debe ser lo más limpia posible para no crear turbulencias.
- El ángulo de los difusores (el apoyo que existe detrás de la llanta trasera) es también importante. A ángulo mayor, habrá mayor efecto suelo, pero se necesitará más flujo de aire por debajo del fondo plano del auto. A ángulo menor, habrá mejor efecto suelo si es que se pone una trompa (alerón delantero) de forma convexa que se encargaría de buena parte del efecto disminuyendo el flujo de aire por el fondo del coche (lo que sucede en la Fórmula 1). La mayoría de los bólidos se inclinan por el mayor efecto por la parte del fondo del auto.

Los trabajos en el túnel de viento pueden cumplir las premisas para lograr el ansiado efecto suelo. Pero no siempre en la pista se cumple con lo concluido en las experimentaciones. Uno de los casos más dramáticos se dio en las 24 Horas de Le Mans de 1999, cuando el Mercedes Benz CLR voló por los aires a más de 350 km/h. De manera increible nadie sufrió más que un buen susto, y la buena suerte de que en la recta Hunaudières no existieran tribunas evitó una tragedia.

La única explicación existente fue que la turbulencia de los autos que estaban detrás del Mercedes, junto con las ondulaciones de la pista y la altísima velocidad superaron la resistencia aerodinámica haciendo que la flecha de plata se comporte como un ala y simplemente tomó vuelo: éstas turbulencias perjudicaron la toma de flujo de aire bajo el fondo plano quitándole el apoyo delantero. El tren delantero se alza de la pista, y junto con la "palanca" del tren trasero y el giro de las ruedas posteriores hizo levantar el bólido hasta el despegue. La prueba está en que el CLR alzó vuelo en rectas a grandes velocidades y a poca distancia de cuando menos un coche. De hecho, esta es la causa principal de los vuelos de todos los autos de las categorías que aplican dicho efecto.

El riesgo aerodinámico para no levantar vuelo haciendo efecto suelo estaba al límite en los CLR. El porqué debió haber sido a la superioridad mostrada por sus rivales directos (Toyota, BMW y Panoz) durante las prácticas y clasificaciones, buscando cualquier medio para acortar diferencias. Hasta antes de los abandonos (alrededor de la cuarta hora de competencia), la flecha de plata estaba al mismo ritmo de sus rivales.

Sólo para la estadística, el ganador de la competencia fue el BMW V12. En cuanto a los CLR voladores, servirán como ejemplo de que, a pesar de todas las modificaciones que se pueda realizar a un auto para lograr la menor resistencia posible al viento, las leyes físicas podrán ser retadas pero no vencidas.
Roberto Calderon E.
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Tengo unas fotos y graficos..porque no me sale la opcion para subirlos?????
Roberto Calderon E.
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Mensaje sin leer por Roberto Calderon E. »

Accidente en las 24 Horas de Le Mans de 1999 producido por fallas en el efecto suelo y la aerodinamica del Mercedes CLR
Roberto Calderon E.
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Mensaje sin leer por Roberto Calderon E. »

Para los que tienen ganas de leer...

El efecto suelo. Una vista un poco mas a fondo..

Para quien no sepa bien a que se refiere este concepto, podriamos decir, de forma simplona que aprovechar el efecto suelo, en terminos de automocion, consiste en tratar de crear el "vacio" debajo del coche.

Es evidente que si se crea una zona de muy baja presion en los bajos, el coche tiende a apretarse contra el asfalto. Es exactamente el mismo objetivo que se persigue al poner alerones, pero con la ventaja de que el efecto suelo no penaliza en velocidad.

Ni que decir tiene que esta totalmente prohibido en la F1(Desde 1983) debido a su peligrosidad. Los monoplazas tomaban las curvas medio-rapidas, practicamente como si fueran rectas.
En caso de accidente o salida de pista, esas altisimas velocidades en curva siempre eran un tremendo agravante, cosa que no estaba bien vista por la FIA.

El efecto suelo no es exclusivo del automovilismo. De hecho sus origenes se remontan a la aeronautica. Tratandose de temas de aerodinamica no es de extrañar...

Antes de comenzar, vamos a aclarar un par de cosas:

Cuando un objeto se mueve a gran velocidad, el aire tiende a fluir por sus paredes. Pongamos como ejemplo el ala de un avion.
Gracias a su diseño, se crean altas presiones bajo ella que son las que la empujan hacia arriba y mantienen el avion en vuelo.

Como veis el camino que toma el aire alrededor del ala, es bastante armonioso, sin turbulencias. Digamos que el aire fluye por las paredes del ala(No es exactamente asi, pero tampoco hace falta precisar demasiado).

Imagen

Hay que tener presente que un fluido en movimiento (como es el aire) estara sometido a menos presion cuando mas rapido fluya. Asi que si queremos obtener bajas presiones, tenemos que conseguir acelerar el aire lo maximo posible.
En la foto anterior, en la zona de baja presion el aire circula mas rapido porque tiene que recorrer mas distancia en el mismo tiempo. Si estirasemos las flechas que nos indican el recorrido que sigue el aire en ambas zonas, veremos que recorre mas distancia en la zona de baja presion.

¿Que pasaria si de repente ponemos este objeto a una altura de 5 centimetros sobre el suelo? Pues pasaria que el aire ya no fluiria de la misma manera en la parte baja del ala.

Por lo tanto el efecto suelo es la influencia del suelo en un perfil aerodinamico (El flujo de aire alrededor del objeto). En realidad todos los objetos que se mueven a ras del suelo sufren ese efecto.
Se puede aprovechar, como es el caso de los helicopteros, o los algunos automoviles de competicion o se puede hacer un uso neutro (F1 actuales).

De ahi deducimos que la prohibicion del efecto suelo en la F1 consiste en que no esta permitido usar dicho efecto en beneficio propio.
Existir va a existir siempre, mientras haya un objeto moviendose a poca altura...y este efecto sera mucho mayor cuanto mas a ras del suelo estemos(Tambien sera mas violento y peligroso).


Veamos una demostracion:

Aqui vemos un grafico de presiones del aire que fluye alrededor del ala de un avion.
Por el color, ya intuimos que la parte baja esta sometida a mucha mas presion. De ahi esa flecha ascendente que representa la fuerza de sustentacion, la que hace al avion volar.

Fuente del grafico: http://www.Mira.co.uk

Imagen

Ahora ponemos el ala a ras del suelo. Veis como reacciona? La presion del aire que fluye por debajo ha aumentado considerablemente (Mirad el color).
La fuerza de sustentacion sera mucho mayor, por lo que el avion aumentara de altura hasta que dicho efecto ya no se produzca.

No se si alguna vez alguien escucho o leyo que los aviones de caza volando a gran velocidad y a muy poca altura, maltratan fisicamente al piloto a base de continuos y bruscos baches.

Esto es porque el efecto suelo impulsa el avion hacia arriba hasta que deje de existir, luego el avion vuelve a bajar a su posicion original...vuelve a aparecer efecto suelo y el avion vuelve a subir....etc etc...

Al grano:

Bien, vamos a dejar de hablar de aviones y pasemos a la competicion.

Si usamos un ala de avion invertida (como si fuera un aleron), de forma que lo que busquemos sea adherencia sobre el asfalto, cuando dicha ala esta suficientemente cerca del suelo, tambien se producira este efecto.

La diferencia es que en vez de aumentar extraordinariamente la presion y ejercer sobre el objeto una fuerza vertical hacia arriba, lo que ocurre es que disminuye muchisimo la presion(Recordemos que le hemos dado la vuelta al ala) y como consecuencia la adherencia es enorme.

Pues ya esta. Se trata de crear un vacio bajo el coche siendo el propio coche el que se comporte como un aleron.

Una mejora:

Para evitar que nos entre aire por los laterales y disminuya ese vacio, podemos poner lo que se llaman unas faldillas en los laterales del coche.(Luego explico lo que es eso)

El primer modelo de F1 que hizo sus primeros escarceos con el efecto suelo fue el Lotus78 (1977) (pero como muchos sabreis, el verdadero pionero que introdujo esta novedad en el automovilismo fue Jim Hall en su Chaparral Chevrolet V8 en 1961).

El Lotus79 (1978), si que aprovechaba en su totalidad el efecto suelo.

Imagen

¿¿Veis como los laterales estan casi rozando el suelo?? Eso son las famosas faldillas para que no entre aire por ahi y nos disminuya el "vacio" que estamos creando bajo el coche.
Sin ellas el suelo tb estaria succionando al coche, pero en menor medida.

Este Lotus tiene la peculiaridad de que sus faldillas tienen un movimiento vertical para adaptarse totalmente al suelo. Para no dejar ni un resquicio por donde entre el aire....

Pongamos un ejemplo aun mas claro: El Chaparral 2J(1970):

Imagen

Aqui si que se distingue perfectamente como se cierran el paso al aire en los laterales.
Para el poco observador, fijese que la faldilla no consiste solo en el lateral pintado en blanco, sino tambien en la prolongacion que hay justo debajo de el, que acaba a escasos milimetros del suelo.

Con el efecto suelo, el mismo coche se esta comportando como si fuese un aleron, con la ventaja de que este agarre extra no le esta penalizando en velocidad (Tanto si se aprovecha el efecto suelo como si no, la superficie frontal del auto sera la misma. Es decir, ejercera practicamente la misma resistencia al paso del aire..)

Ahora vamonos al por qué de su prohibicion:

Vayamonos a un caso extremo. Supongamos que actualmente estuviesen permitidos los 1.5l Turbo, con efecto suelo, suspension activa, ruedas lisas...
Bien, ya tenemos montado el F1.
Ahora vamos a probarlo en Monza. En las rectas no tiene por que ir mas rapido que cualquier F1 de los que se usan en la actualidad...

Pero vamos a situarnos en la Parabolica (Curva bastante rapida de este circuito que esta justo antes de la recta de meta). Estamos dando la curva con total agarre a mas de 300 Km/h y el piloto soportando fuerzas de 6Gs o incluso 7Gs. No parece la mejor combinacion para aguantar mas de 10 vueltas sin desmayarse...

Ya poniendonos bastante fantasticos (o no...), podria darse el caso de que los pilotos se viesen obligados a consumir anfetaminas para poder aumentar sus reflejos y capacidad de reaccion. Os garantizo que no seria nada facil reaccionar a 300 por hora en una curva, fatigado y soportando 7 Gs...

Imagen

El propio G.Villeneuve le tenia un respeto bastante razonable a este efecto. La cosa era bastante peligrosa...


Y ahora lo realmente importante...Que pasaria si nos salimos de la curva a 300 Km/h??

.....pues....

La respuesta es mas bien obvia...y tratandose de un monoplaza que circula a un par de centimetros del suelo...

Una posibilidad: Daria unos cuantos botes alegres a 280 Km/h hasta que se clavase el aleron delantero en el terreno poco uniforme y el desenlace final no seria nada optimista...el vuelco esta casi garantizado...
Recordemos que un coche con un chasis a tan poca altura tendra unas suspensiones durisimas, asi que no absorveran practicamente esos baches..(Un F1 actual estaria tambien en un serio apuro, pero al menos no estaria sentenciado...a parte de que no iria a tanta velocidad en curva)

Curiosidades:

Hay un caso curioso referido al efecto suelo que ocurrio durante las 24 horas de LeMans en 1999.
Es curioso porque resulta que los tres Mercedes SLR que competian, hecharon a volar literalmente cuando iban a mas de 350 Km/h

Imagen

La razon, quisieron sacarle excesivo partido al efecto suelo. Lo llevaron al limite teorico sin contar con que estaban en el mundo real. Es decir, les fallo la practica...
El efecto suelo es viable si el chasis esta entre 5 y 10 cm de altura sobre el terreno. Ellos fueron mas alla entre otras porque su coche no era el mas competitivo...Trataron de buscar un agarre total asumiendo los riesgos: la inestabilidad.

Asi, basto la presencia cercana de un coche rival que les variase el flujo normal de aire creando turbulencias, y la presencia de irregularidades en el terreno.

Durante una fraccion de tiempo se les colo una ventolera bajo el coche, el morro se levanto escasos milimetros, el efecto suelo tan brutal que tenian se invirtio (Pues con el morro levantado se esta simulando un ala de avion, es decir tiende a volar) y el resto...lo que se ve en las fotografias.
Como esto les paso solo en plena recta, no hubo afortunadamente males mayores que lamentar.

Hubo un segundo Mercedes que voló TB, y salió del circuito para aterrizzar en el bosque de la derecha. X suerte, ese mismo año se talaron unos cuantos ardóles, cyos troncos absorbieron el golpe y evitando una catástrofe.

Eso si, el accidente es bastante impresionante...
MM.COM
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:aporte:

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CELICA3SGE
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Un video para ilustrar semejante tema, por no decir exelente! :bigsmurf:
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Marvin Jaén
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Tengo algo que decir:

:1: , además :ogre: ... y tambien :aporte:

Roberto mis respetos.

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GT4
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EXCELENTE. De lo mejor que se ha escrito.

El video del mercedes es impresionante,..parece un pedazo de papel que se lo lleva el viento.
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mclaren
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roberto

felicitaciones por el tema, es muy bueno que la gente se preocupe mas por la cultura general de los autos y se ocupe menos de decir nada mas "q chiva" , muy buen aporte.

Como complemento a tu investigación, TAMBIEN el Porsche 911 GT1 sufrió ese mismo tipo de percance, solo q en condiciones un poco distintas.

MERCEDES CLK GTR 1999 Le Mans:
Fueron DOS autos que se accidentaron por razones similares de mal efecto suelo. Uno se levanta en un descenso en donde el auto no corta el aire con la misma eficiencia de un plano, mientras que el otro le pasa lo mismo que le pasó al Porsche GT1 ..


PORSCHE 911 GT1 1998 Petit Le Mans:

se levanta porque un auto que va adelante le crea una bolsa o espacio en donde el caudal de aire es muchisimo menor que en circunstancias limpias.

Por alguna razon, las imagens de Porsche son extremadamente dificiles de obtener, pero aqui estan los videos del Porsche y del CLK alzando vuelo ...

disfruten los videos, VALEN LA PENA y son MUY impresionantes !!!

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Marvin Jaén
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El CLK si alzó vuelo ... casi se lleva el rótulo de Bridgestone.

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Cracing
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Que calidad de aporte................
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fernandoj
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Mensaje sin leer por fernandoj »

Está muy interesante la información.

Existe un experimento sencillo que permite demostrar el efecto suelo, por si lo quieren hacer:

1. coger una hoja de papel o servilleta y tomarla con los dedos pulgar e indice de ambas manos en las 2 esquinas de un lado corto.

2. Acercarse la hoja a la boca, de manera que el lado corto que tenemos sostenido quede debajo del labio inferior, lo más cerca posible.

3. Soplar (el aire debe ir por encima de la hoja). Inmediatamente la hoja va a tender a subir, por la diferencia de presiones.

Inmagínense que la hoja fuera el piso del carro...
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