60 – Alerones en la F1 – Downforce vs Drag

¿Sabías que en un auto de calle la mayoría de los alerones se utilizan por una cuestión más que nada estética? Sé que en algunos casos no, pero son relativamente pocos. Mientras que en la competición un alerón no tiene nada que ver con la estética, sino que es uno de los componentes más importantes a la hora de dimensionar un auto, que nos va a ayudar a ser mucho, pero mucho más rápidos a lo largo de una vuelta del circuito, pero en realidad también nos va a ser un poco más lentos. Eso es el tema que queremos hablar hoy, un alerón. Esta es realmente una de las cosas más pero más apasionantes que tiene la ingeniería automotriz. Un alerón es una superficie alar, es decir, un perfil alar que nos permite a nosotros dirigir un flujo de aire a través de él y así generar fuerzas.

Para entender un poco esto, imagínate si tuviésemos el ala de un avión, que es también un perfil alar. Lo que vamos a tener es un perfil de este tipo que en nuestro caso se va a desplazar en medio del aire. Esto va a hacer que el aire que circula por la parte superior tenga una velocidad diferente al aire que circula por la parte inferior de este perfil alar. Y si nos basamos en el principio de Bernuli, como tenemos este perfil alar y un flujo de aire que circula a distintas velocidades en la parte superior y en la parte inferior, esto nos va a dar diferentes presiones. Te lo digo así medio complicado, pero el resultado de esto es una fuerza en un avión ascendente. Para imaginar todo esto, te muestro las imágenes de hace un par de veranos atrás que me fui a hacer parapente con unos amigos. Es exactamente lo mismo.

El parapente es un perfil alar continuo del cual uno, el piloto, se sustenta. Sí, por medio de de hilos o de de filamentos, uno va suspendido debajo de este perfil alar. Cuando empezas a levantar velocidad, el perfil se levanta, corrés y ahí es cuando toma vuelo y te llega a sustentar y es así que volamos. En un auto lo que hacemos es lo opuesto. En vez de buscar una fuerza de sustentación que nos empuje hacia arriba, lo que queremos es una fuerza descendente que nos pegue al piso. Cuanta mayor sea esa carga aerodinámica, esa fuerza que nos pega el auto al piso, más van a ser las fuerzas que nosotros vamos a tener disponibles para acelerar, para frenar o para dirigirnos a lo largo de una curva.

Ese es el objetivo de un perfil alar en el auto. Así que una vez más, si tenemos este perfil alar, lo que era antes en un avión con una fuerza ascendente, lo que vamos a tener ahora en un auto es descendente. Esto es lo que nos va a ayudar a ganar performance en cuanto a la tracción y al manejo en curvas. Pero esto no es lo único que sucede. Lamentablemente, cuando vos en un perfil alar tenés una fuerza descendente o una fuerza ascendente en el caso de un avión, eso siempre está ligado también con una fuerza resistente. Vos no podés tener nada más que una carga vertical. Vos vas a tener carga vertical y resistencia. Es decir, que si miramos nuestro perfil alar, vamos a tener la carga descendente que está actuando sobre este perfil alar, que hace que nuestro auto se pegue al piso y al mismo tiempo va a generar una carga resistente que nos va a frenar.

Estas dos fuerzas se conocen en la industria automotriz como downforce o fuerza descendente y drag force o una resistencia aerodinámica. Ya te digo, lamentablemente no podés vivir nada más que con una. Sería ideal tener nada más que una. Es decir, tengo una carga vertical muy grande y cero resistencia aerodinámica. Sería el país de las maravillas, pero la realidad es distinta. Si tenés carga vertical generada por este perfil Alar, también vas a tener una resistencia aerodinámica. no tenés alternativa. Hay un detalle que tenés que tener en cuenta que no todo el mundo realmente lo ve a la hora de mirar una carrera y todo. Y es que cuando nosotros tenemos este perfil alar, h, no sé si ahí lo podemos observar un poco, el aire en realidad va a venir en esta dirección, va a pegar en el perfil alar.

Te lo pongo un poco así, eh, en perspectiva, si lo ves, va a pegar, pero el aire que ingresa tiene que estar en flujo laminar. Flujo laminar significa que el auto, el el auto, que el aire tiene que estar quieto, no puede estar con turbulencias, tiene que estar quieto de forma tal que el perfil alar cuando incide en ese aire quieto, todo el aire que está ahí va como desplazándose en forma de láminas, paralelo a esa superficie y no puede estar en forma de torbellino. Si nosotros tenemos el aire en forma de torbellino, por decirlo de alguna manera, entonces ahí ese perfil alar no va a tener la performance que nosotros pensamos y para lo cual lo diseñamos, porque es fundamental que el aire que que está en contacto con ese perfil o que se desplaza a lo largo de ese perfil alar esté en flujo laminar.

Al que le interese todo este tema de flujo laminar, bueno, tiene que empezar a ver un poco el tema de termodinámica de los fluidos, el número de reynolds y todo eso. Un tema aparte. Lo importante conceptualmente es entender que el aire tiene que estar en flujo laminar y que no puede estar convulsionado o en torbellinos. Por lo que aquí viene otro gran problema. El aire cuando incide en el alerón está en forma laminar, en un flujo laminar. Y a lo largo de ese perfil alar vamos a intentar de que se mantenga en flujo laminar. Pero obviamente que en la medida que nosotros queremos obtener más carga vertical, vamos a tener que aumentar ese perfil alar en la incidencia que tiene y eso va a hacer que el flujo en algunas partes sea turbulento.

Eso es lo que se habla muchas veces en competición cuando decimos que el aire está limpio o está sucio. Que el aire esté limpio no tiene que ver con un tema de suciedad de partículas o cosas que de ese estilo. Significa que un aire limpio es aire que está quieto y que el vehículo avanza, lo enfrenta y el aire que está quieto está atravesando ese perfil alar de forma laminar. Cuando deja ese perfil alar, una parte ya está en forma turbulenta. Y es lo que llama el aire sucio. Lo que vos tenés que pensar que es muy importante en todo esto, es que cuando vos hacés un alerón delantero y después hacés un alerón trasero, el alerón delantero va a tener todo el flujo laminar al ingreso del alerón y una parte de ese aire va a salir del alerón en un flujo turbulento.

Después de este alerón viene todo el auto con todas las problemáticas que sabemos, la cabeza con el casco, no todas las partes son tan aerodinámicas, es decir, el aire ahí deja en muchos casos de tener un flujo laminar y se va haciendo turbulento, por lo que ya no está en tan buenas condiciones laminares como estaba al incidir en el alerón delantero. Y cuando está ya en ese en ese estado de turbulencia y parte laminar, entra en contacto con el perfil alar trasero o el alerón trasero. Y ese alerón trasero, obviamente, tiene esa parte de aire que incide en él de forma laminar y una buena parte en forma turbulenta. Es decir, que tenemos que hacer un estudio muy pero muy detallado de qué alerón ponemos adelante y qué alerón ponemos atrás.

Porque si adelante ponemos un alerón que es muy agresivo, va a generar un flujo turbulento a la salida de ese alerón que va a hacer que nuestro alerón trasero ya no sea tan eficiente. Entonces, tenemos que cuidar ese balance. Si ponemos un alerón muy agresivo adelante, va a ser eso. Nos va a dar mucha carga vertical en el eje delantero y va a ser muy difícil que pierda adherencia y empiece a derrapar, por lo que el eje trasero va a ser el primero que derrape. No es una buena idea. Y si hacemos eso, además, el flujo de aire que entra en contacto con el alerón trasero no va a estar en un flujo laminar ideal, va a estar bastante turbulento, lo que va a disminuir esa eficiencia del alerón trasero, por lo que el alerón trasero lo vamos a tener que sobredimensionar para que esa pérdida de eficiencia un poco se equipare con un aumento de la superficie y al mismo tiempo vamos a tener que trabajar todos los estados intermedios del aire desde que entra en contacto con el alerón delantero y se se va desplazando a lo largo del vehículo y luego entra en contacto con el frente del alerón trasero.

Es un cálculo extremadamente difícil y si no lo haces bien, obviamente que el balance entre la carga vertical en el eje delantero y el eje trasero va a ser muy dispara y esto obviamente que es en función de la velocidad. A baja velocidad, la carga aerodinámica no es muy preponderante, pero en la medida que nosotros vamos aumentando la velocidad, esa carga aerodinámica vertical y resistente van aumentando su magnitud de forma muy pero muy grande. Entonces, tenemos que estudiar realmente en detalle cuál va a ser la velocidad a la que nos vamos a desplazar el vehículo, si va a ser un circuito rápido, si va a ser un circuito lento, muy trabado, con muchas curvas. Si vos tenés un circuito muy lento, con muchas curvas, bueno, vas a necesitar mucha carga vertical.

Eso te va a dar muchas fuerzas descendentes, vas a tener muchas fuerzas para transmitir al piso que te permitan frenar, acelerar y doblar curvas rápido. Pero si vos querés una velocidad final alta, no lo vas a lograr. Para eso vas a necesitar alerones que tengan una carga vertical un poco menor, pero que al mismo tiempo tengan menos resistencia aerodinámica. Y eso obviamente que te va a jugar en que tenés menos fuerzas para transmitir al piso, pero menos resistencia aerodinámica, lo que te va a ayudar a tener una velocidad final un poco más elevada.

De acuerdo al circuito, vas a tener que ir eligiendo entre un modelo y el otro. Y obviamente en la Fórmula 1 tenés la posibilidad de modificar ese alerón trasero de acuerdo si querés repasar a otro vehículo o no y de y de golpe podés dejar el alerón libre y automáticamente toda esa carga vertical que tenés, que es muy grande, la reducís, pero esa reducción en la carga vertical tiene como ventaja una reducción en la resistencia aerodinámica. Es decir, en esa configuración no pienses agarrar una curva rápido porque no vas a tener la carga vertical que te permita hacerlo, pero sí te va a permitir tener la velocidad para repasar a un vehículo. Si todo este tema de de aerodinámica, de carga vertical, de todo lo que tiene que ver con la adherencia y con las fuerzas que transmitís al piso, ¿te gusta? Te voy a dejar aquí como primer comentario y también te lo voy a dejar en la descripción de este video, información que te puede resultar muy interesante y que te va a a explicar un poco este tema en detalle. Así que te recomiendo pegarle un vistazo y fíjate, en una de esas te interesa. Nosotros como ingeniero de pista tenemos que tener muy claro que cada alerón, cada perfil alar que utilicemos, ya sea adelante o atrás, no nos va a dar únicamente esa fuerza descendente, sino que también nos va a generar una fuerza resistente. Y vamos a tener que jugar con eso en el eje delantero y en el eje trasero.

Este alerón, obviamente que va a generar una carga vertical en el eje delantero muy grande y al eje trasero lo va a alivianar un poco porque, digamos, toda esta fuerza que nosotros estamos haciendo, fuerza vertical por delante del eje delantero, va a ser que el eje trasero pierda un poco de carga. ¿Sí? Porque todo el auto va a estar intentando rotar alrededor del punto de contacto de los neumáticos delanteros. Entonces, para contrarrestar eso, también ponemos un alerón trasero y ese balance lo tenemos que tener muy claro. Ahí es realmente empezar a jugar muy fino con toda esta carga aerodinámica y la elección correcta, obviamente, de las velocidades, de todas las relaciones que nosotros vamos a necesitar en nuestra caja de velocidades para hacer que esta carga vertical que nosotros vamos a tener en función de la velocidad y la resistencia aerodinámica pueda estar bien calibrada con todas las relaciones de la caja que utilicemos.

Si haces una cosa mal de todo esto, es decir, si vos ponés una carga vertical muy grande y después una relación de transmisión en en la caja de velocidades con saltos muy grandes, bueno, obviamente que el auto va a ser lento porque va a tener que va a tener que vencer una resistencia a la rodadura muy grande de todas esas cargas verticales que tiene con un neumático de competición como la Fórmula 1, que cuando están en la temperatura de funcionamiento óptima es como un chicle que se pega, que cuesta moverlo. Eso genera mucha resistencia y si además te pones a pensar de toda la resistencia aerodinámica que tenés, bueno, necesitas realmente un grupo motopropulsor que esté bien diseñado en cuanto al motor, al par y a la potencia que genera y todas las transmisiones que vas a tener para poder hacer que el vehículo avance.

Si calculas algo mal, el auto es un desastre. Así, poniéndome a pensar un poco en voz alta, es muy distinto tener un auto de Fórmula 1 con cargas verticales muy grandes y obviamente tenés resistencia aerodinámica con un auto tal vez de Lemont donde vos necesitáas velocidades finales más altas, donde tenés un poco más de aerodinámica, buscas un poco más tener menos cargas verticales, pero reducir mucho la resistencia aerodinámica porque son circuitos rápidos en general. Entonces, vos tenés que ver el compromiso que a vos tal vez hace que tu auto al tener una carga vertical más grande y una resistencia aerodinámica más más alta, hace que tu auto sea más lento. Pero en un circuito que es muy trabado, que hay mucha curva, tal vez no hace falta tener un auto muy rápido en cuanto a velocidad final. No hay una parte del trayecto de ese circuito que te permita levantar una velocidad muy alta, pero sí al ser curvas muy trabadas decís, “Bueno, a ver, dejo de lado la velocidad final y le doy más preponderancia a tener mucha adherencia, muchas fuerzas para transmitir al piso durante las curvas.”

Entonces, tal vez tu auto en cuanto a velocidad final es más lento, pero cuando haces una una vuelta completa al circuito, tu tiempo es menor, tu auto, en definitiva, fue más rápido. Eso es un poco lo contraintuitivo que hay que pensar en toda la parte aerodinámica, que hay veces que tener un auto más lento hace que tu vuelta sea más rápida y tenés que empezar a jugar con eso. Bueno, ¿hasta qué punto hacer mi auto más lento va a ser que mi vuelta sea más rápida? Así que la próxima vez que veas un alerón, sobre todo si es un vehículo de competición o un vehículo de alta performance, te invito y te pido que lo mires en detalle para que veas todo el trabajo que tiene. No es simplemente algo visual, estético, eh no en la competición, no en la alta performance. vas a ver es un mundo apasionante y tiene una dificultad pero enorme porque realmente todo esto va a depender no solamente del cálculo que vos hagas, sino en qué situación se encuentra tu auto. Por ejemplo, si vos sos el auto que está liderando la carrera, vas a tener tu flujo laminar que impacta al auto, digamos, en el frente y después va a ir perdiendo un poco de ese flujo laminar a lo largo de que va atravesando tu auto.

Ahora, si vos sos el segundo, el tercero, cuarto auto que está ahí en una fila india, bueno, vos ahí vas no vas a tener mucha carga vertical porque vas ahí vas a estar netamente en un flujo turbulento. Vos te vas a estar desplazando en un lugar donde el aire está en torbellino, turbulento, no se va a dar las condiciones para que tu perfil alar delantero y trasero puedan generar esas fuerzas descendentes al piso y no vas a poder hacer las curvas tan rápido. Ahora tenés la ventaja de que tu resistencia aerodinámica va a ser muy baja porque al no tener carga vertical tu alerón no va a estar trabajando de esa manera y además todo el aire que movió el auto que está por delante genera que detrás de él haya un poco de vacío que si vos lográs posicionar tu auto ahí es un aire sucio, como dijimos antes, pero vos ahí vas a estar ganando un poco de tracción en el sentido de que estás dejando que el auto de adelante gaste energía en mover todo el aire y vos vas a estar ahí atrás pegadito. chupado, conservando esa energía de movimiento, pero no esperes hacer curvas bien porque no las vas a hacer.

Y la ventaja de todo esto, obviamente, es que vas a gastar menos combustible porque vas a tener una resistencia aerodinámica mucho menor, porque todo el esfuerzo lo va a estar haciendo el auto delante tuyo. Y si no me crees esto, fíjate cuando en la Fórmula 1 pasa eso, que hay un auto que viene muy pegado a otro, cuando lo quiere repasar, que se abre, bueno, ahí ya no tiene la potencia porque cuando estaba atrás tenía potencia de sobra porque había mucha resistencia aerodinámica que no le influía, pero cuando sale de la proyección del auto delantero y él también agarra aire que está limpio, bueno, ahí la historia cambia y la resistencia aerodinámica es altísima. Así que ahora que sabés un poco más en detalle todo esto, espero que la próxima carrera la mires con otra perspectiva, con otros ojos críticos y que no solamente veas lo lindo de un auto o una maniobra, sino que empieces a entender qué es lo que está pasando en ese vehículo, en el alerón delantero, en el alerón trasero y en el eje delantero y trasero, que finalmente son los responsables de transmitir la fuerza al piso y que el vehículo pueda desplazarse, acelerar, frenar y hacer las curvas.

Así que acordate si te interesa todo esto, mira el primer comentario que te dejo o si no en la descripción y ahí vas a tener algo espectacular.

Nos vemos la próxima.