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Aerodinamica

Aerodinámica en un auto de competición.

En este artículo de IAD vamos a desarrollar uno de los puntos claves en un auto de competición, su aerodinámica, desde los principios básicos y cómo afecta el aire al auto de carreras.

Un poco de teoría sobre el delicado aire.

Cuando vemos despegar sobre una pista un avión, es increíble cómo una máquina de tanto tamaño y peso pueda levantar vuelo, sin embargo, las fuerzas que lo elevan y lo mantienen arriba son creadas solamente por sus estilizadas alas, que cortan el aire, mientras el avión se mueve.

Al igual que el primer ejemplo que nombramos, también es asombroso que un monoplaza de Fórmula 1 o Indy car pueda generar suficiente sustentación negativa, o carga aerodinámica (a una determinada velocidad) como para ser capaz de rodar por el techo de una habitación grande y, mediante su propia carga aerodinámica, mantenerse cabeza abajo, desafiando la gravedad. Dejando en claro que esta prueba sería un poco compleja de realizar, pero no imposible, lo que deberíamos preguntarnos es, ¿Cómo es posible crear tales fuerzas solo con el delicado aire?

Un poco de práctica para entrar en clima.

Para las personas que están leyendo esta nota e iniciando en el mundo de la competición o simplemente aficionados a las carreras y no conocían en detalle la aerodinámica, vamos a hacer un pequeño experimento para ir conociendo las primeras leyes que la gobiernan. Los invito a que tomen una hoja de papel común (A4 de impresora o una simple hoja de una revista que no sirva), tómenla desde una de sus puntas y por las esquinas de uno de los lados cortos, con los dedos índice y pulgar de cada mano. Ahora sujete la hoja de papel a la altura de la boca, de manera que ese extremo que tomaron quede tirante y el borde quede cerca del labio inferior de la boca. Cuando hayan posicionado el papel cerca de la boca, hay que asegurarse que el otro extremo de la hoja quede colgando hacia abajo por la flexibilidad del papel. Ahora sople de forma horizontal, a lo largo de la superficie de la hoja, ¿ven lo que ocurre? la hoja de papel se dobla hacia arriba en dirección al flujo de aire que sale de su boca. Se puede ver que claramente hay una fuerza que está actuando sobre el papel, que impide que este siga colgando hacia abajo por la fuerza de la gravedad. El flujo de aire que ustedes soplaron sobre la hoja es lo que provoca la Sustentación. Esta fuerza es la que mantiene al enorme y pesado avión en el aire, y la que permitiría al Fórmula 1 circular por el techo de una pieza como mencionamos al principio. Entonces, ¿Cómo se generan esas fuerzas para que ocurran estos fenómenos?

Estas fuerzas comenzaron a estudiarse desde la época de Aristóteles, alrededor de 350 años A.C, luego el que siguió con la línea de investigación fue el conocido Sir Isaac Newton alrededor del año 1726, 150 años después, Rayleigh continuo con los estudios de estas fuerzas provocadas por el aire, y llegamos al año 1907 donde un Ruso llamado Joukowski se acercó a las teoría que se utilizan hoy en día en estudios aerodinámicos, ¿Cuál fue la finalidad de los estudios realizados por estos reconocidos hombres durante más de un siglo? Qué y cuáles son las fuerzas que actúan en un objeto que es puesto en una dirección de aire o en un flujo determinado. Ustedes se preguntaran, ¿y esto qué tiene que ver con el auto de carreras? Pues vamos llegando a lo interesante.

Supongamos que tenemos una corriente de aire determinada que nunca se detiene, situemos como ejemplo que tenemos un moderno túnel de viento para que podamos disfrutar, en ese túnel ponemos una placa de madera, por ejemplo, de un metro de ancho y de unos 40 cm de profundo, con unos 5mm de espesor, como para tener una idea práctica. Vamos a colocar la placa de manera horizontal al flujo de aire sin ninguna inclinación, ¿Qué ocurriría en este caso? La placa no creará una fuerza de sustentación pero sí creará una mínima resistencia al avance (Drag), ¿por qué? Por los 5mm de espesor de la placa de madera, este espesor quedó en choque con el flujo del aire y por lo tanto creo una resistencia que tiende a empujar la placa de madera hacia atrás, esta fuerza llamada resistencia al avance o Drag es la principal enemiga de un auto de carreras. Ahora bien, ¿Qué ocurre si le damos un grado de inclinación a la placa? lo que va a ocurrir es que las partículas de aire van a rebotar contra la placa inclinada transfiriendo la cantidad de movimiento en forma de sustentación y resistencia al avance.


Un poco de matemáticas.

Todos los que nos dedicamos de una forma u otra al automovilismo sabemos que las matemáticas son uno de los mayores pilares para construir un auto de carreras junto con la física.

¿Cómo vinculamos la matemática a la aerodinámica del auto de carreras? para eso nos vamos a ir un poco atrás en el tiempo, a comienzos del siglo XVIII, más concretamente en el año 1738, un físico italiano llamado Daniel Bernoulli, encontró la relación directa entre presión y velocidad, eso le permitió crear una ecuación para ver cómo se relacionan con respecto al flujo. La ecuación es la siguiente:

p = Densidad del aire; v = Velocidad del flujo.

En la ecuación podemos apreciar que p es la “presión estática” del aire, y 1/2pv2 es la “presión dinámica”. Ahora , ¿Qué nos dice esto? Cuando se incrementa la velocidad del flujo(aire), la presión debe disminuir. Hay que observar que la ecuación es válida a lo largo de una línea aerodinámica dada.

¿Qué conclusión podemos sacar de lo visto hasta ahora vinculándolo al auto de carreras?

Cuando el aire actúa sobre el alerón de un auto de carreras, al llegar a la parte frontal del alerón, se va a encontrar con el borde de ataque del mismo y se va a dividir hacia arriba y hacia abajo. El flujo de aire que circula por la parte superior, va a bajar su velocidad, va a mantener una alta presión y se va a re-direccionar hacia arriba. Mientras tanto, en la parte inferior, cuando el aire rodea la parte de abajo del alerón, va a aumentar su velocidad y va a bajar la presión en esa zona, provocando sustentación negativa y logrando una fuerza que empuja el auto hacia abajo. En ese momento podemos usar la ecuación de Bernoulli y decir que cuando más velocidad esté desarrollando el auto de carreras, mayor va a ser la fuerza que van a lograr sus alerones impulsado el auto hacia abajo y mejorando su velocidad de curva.

Si te pareció interesante este tema y querés saber más, nuestro instituto IAD ofrece el Curso básico en aerodinámica de competición dictado por el gran Pedro Campo. y si ya tenías adquiridos estos conocimientos básicos y querés pasar a lo más avanzado, te ofrecemos el Curso avanzado en Aerodinámica de competición, también dictado por Pedro Campo.

Autor: Nelson Vigliani

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