Dinámica en un auto de competición.

Hoy aprenderemos sobre la dinámica de un vehículo de competición. Podríamos asegurar que hay cientos de miles de fanáticos del automovilismo deportivo en el mundo. Muchos de ellos están distribuidos en: Los que les gusta mirar carreras y disfrutar del espectáculo. Y están los otros que son amantes de lo técnico, que se sumergen en las matemáticas, la física y el ingenio para saber cómo mejorar un auto de competición. Hoy dedicaremos un post para los del último grupo, principalmente para los que están iniciando.

A los fanáticos de temprana edad, adolescentes, adultos que están comenzando a mirar un auto de competición con otros ojos, no solamente disfrutandolos en una pista girar y viendo a su piloto favorito; vamos a enseñarles los principios básicos para comprender lo que rodea a un auto de carreras.
Sepan que si están interesados en formar parte de esta rama del gran mundo automovilístico, esto requiere de una gran cuota de Matemáticas, Física, e ingenio. 

Primeros conceptos: Aceleración y cambio de trayectoria.

Como ya todos sabemos, para que un vehículo acelere (Aceleración longitudinal) y obtenga una velocidad x , necesita de un motor o una unidad de energía que haga este trabajo. Pero una vez que obtenemos la aceleración en línea recta, nuestro vehículo necesitará tomar una curva determinada, ahí es donde entra en juego la aceleración y el cambio de trayectoria.

Para que un vehículo cambie su trayectoria o experimente cambios en su velocidad, es necesario generar fuerzas.
Tal como aprendimos en física clásica, las fuerzas externas que actúan sobre en cuerpo generarán una aceleración del
mismo (Ley de Newton: F = m*a).

En un automóvil sucede lo mismo, y las fuerzas externas responsables de cambiar su estado (en el sentido longitudinal o transversal) se encuentran en la superficie de contacto entre el neumático y el asfalto.
Los neumáticos son los elementos más importantes de un vehículo. Si éstos son malos, el vehículo tendrá dificultades de transmitir fuerzas al piso y por ende un mal comportamiento dinámico y posibles problemas de estabilidad. La capacidad de acelerar, frenar o seguir una trayectoria curva dependerá en gran medida del neumático que equipe al vehículo.

Círculo de fricción de un neumático.

Para entender este concepto de fuerzas generadas por el neumático, existe un diagrama trazado en los ejes cartesianos X/Y que permite saber las fuerzas generadas por los neumáticos en las diferentes aceleraciones(Longitudinal y Lateral). El círculo de fricción de un neumático, también llamado círculo de Kamm, es un diagrama de una representación “ideal”, permite entender un principio fundamental.
El principio fundamental a la hora de sacar el máximo rendimiento de un neumático es a través de este diagrama. Los neumáticos tienen una cantidad determinada de grip para ofrecer, de acuerdo a su composición, como dijimos puede ser longitudinal, lateral o una combinación de ambos.
Este gráfico es una representación de las fuerzas que un neumático puede soportar. La resultante de las dos fuerzas debe quedar en todo momento dentro del círculo que nos da el agarre disponible para que no pierda adherencia. Es decir, que sí estamos solicitando al neumático mucho agarre para frenar o acelerar, no podemos solicitarle mucho para girar por una curva. Igualmente pasa si vamos transitando una curva usando el grip de neumático en su mayor capacidad de agarre lateralmente, si aceleramos en ese momento, el neumático no va a tener grip para traccionar.

La fuerza horizontal máxima dependerá de la carga N sobre el neumático y de la adherencia máxima del mismo. Esto quiere decir, que la fuerzas que soporta el neumático varía dependiendo su carga vertical, dada por el peso del automóvil y de su carga aerodinámica

Si analizamos el gráfico de ejemplo, podemos ver un auto en etapa de aceleración en una curva hacia la derecha. Si la potencia erogada por el motor nos permite obtener una aceleración longitudinal aprox. de 0.8 G, la capacidad del neumático para transitar por la curva va a ser de 1,1 G aprox. Cabe aclarar que este escenario es para un auto determinado, con una puesta a punto determinada, con un neumático determinado. Vale mencionar también que este valor de adherencia máxima varía de acuerdo a los diferentes tipos de asfalto y disminuye notablemente en el caso de tratarse de asfalto mojado.

Segundo Concepto: Concepto de carga vertical.

Hasta ahora hemos visto que las fuerzas longitudinales y transversales que permiten acelerar, frenar o cambiar la trayectoria de un vehículo se sitúan en la superficie de contacto entre el neumático y el asfalto.
En segundo lugar, sabemos que dependiendo de la calidad de ambas superficies podemos aumentar la fuerza máxima a transmitir para una carga vertical sobre el neumático específica (concepto del círculo de Kamm).
Lo que es necesario aclarar ahora es que la carga vertical sobre el neumático varía de acuerdo a varias cosas. Lo importante es saber cómo podemos hacer variar esa carga de forma tal de sacarle el máximo provecho de acuerdo a nuestra necesidad.

Ejemplos de Cargas verticales:

1) Aumentar el peso actuante sobre la rueda:

Este es un clásico ejemplo que en muchos casos es útil. Si cargamos el vehículo, este aumento de la masa va a tener como consecuencia un aumento de la carga vertical sobre el neumático. Un claro ejemplo de esto es un tractor agrícola, el cual no solamente es pesado por una cuestión de robustez. Si no fuera pesado tendría una capacidad de tracción muy baja y le sería imposible tirar un arado o cualquier otro tipo de implemento o herramienta agrícola. Es muy común ver tractores agrícolas que llevan pesados lastres en la parte anterior/posterior. Justamente la idea es aumentar la carga sobre los ejes. Si estamos requiriendo de mayor tracción en línea recta esta es la mejor solución.

Pero ¿Qué sucede si queremos tomar una curva con todo ese peso adicional en los ejes? Si nos trasladamos nuevamente al Círculo Kamm. Vamos a ver que si aumentamos la masa, la inercia de nuestro auto también va a aumentar, entonces tendríamos un gran problema al tomar la curva porque la nombrada inercia va a tratar de sacar el auto hacia afuera en la trayectoria (Fuerza Centrífuga) Entonces ¿cual seria la mejor solución para aumentar la carga vertical en los neumáticos sin aumentar la masa del automóvil? Aquí es donde entra en juego nuestra famosa y conocida Carga Aerodinámica (Downforce).

2) Aumentar la carga aerodinámica:

Como es bien sabido, los vehículos deportivos, y sobre todo aquellos de competición, buscan aumentar la carga vertical sin aumentar su peso (la masa del vehículo).
Este principio explica el funcionamiento de un perfil alar y el por qué un avión vuela. Este concepto se utiliza también en los automóviles, pero al revés. En lugar de que la velocidad del aire atravesando este perfil alar genere una fuerza ascendente como sucede con un avión, se diseña de forma tal que la fuerza generada sea descendente. Así se logra aumentar la carga sobre los neumáticos sin aumentar el peso del vehículo.

La gran ventaja de la carga aerodinámica es justamente que no requiere de un aumento del peso del vehículo (sólo un leve aumento – que hasta podría considerarse despreciable – debido al peso propio del perfil alar o alerón como suele
llamarse). ¡La carga generada aumenta con el cuadrado de la velocidad!(V4)
Esto es bueno porque significa que cuando uno circula a alta velocidad la carga también es elevada. El inconveniente es que el vehículo también se desplaza a bajas velocidades donde la carga aerodinámica no tiene efecto. Volviendo al caso anterior del tractor agrícola, un alerón para aumentar la carga aerodinámica no tendría ningún sentido.

Dinamica del Vehiculo: Cuadro comparativo

Veamos una tabla donde se ven las ventajas y las desventajas sobre los dos primeros conceptos sobre la dinámica del vehículo de competición.

Autor: Nelson Vigliani

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