Análisis técnico: difusores, flexión de las piezas y otras formas de sumar carga aerodinámica

Nuestros compañeros Raúl Molina y Héctor Clausell ya describieron con detalle todas las piezas nuevas que hemos visto en los últimos Grandes Premios de F1. Hoy hablaremos, sin embargo, de los conceptos que manejan algunas de ésas novedades.

Sabemos que el difusor de un F1 es una de las piezas más importantes del coche. Su importancia no radica en su potencia generadora de apoyo aerodinámico (aunque efectivamente genera downforce), sino porque ayuda al suelo del coche a producir lo que, en la práctica, es la mayor parte del apoyo aerodinámico total del coche.

El difusor intenta que todo el aire que entra debajo del coche por la parte frontal salga por la parte trasera con la máxima velocidad. De esta forma, se genera una baja presión debajo del coche, la cual produce la succión del mismo hacia el asfalto.

Una vez ya conocemos el funcionamiento y razón de ser del difusor, cabe la posibilidad de intentar mejorar su funcionamiento y utilidad; para ello, se utiliza el siguiente procedimiento o sistema:

Se trata de generar una depresión o bajada de presión justo encima del difusor, de tal manera que este vacío succione el aire que pasa por el difusor. De esta forma, se succiona el aire que pasa por debajo del coche:

Para producir esta depresión se ha recurrido, entre otros, a dos sistemas hoy prohibidos:

1. Inyectar aire en la zona a alta velocidad: éste es justamente el fundamento de los difusores soplados; inyecta aire u otro gas a alta velocidad, lo que produce la depresión demandada. Al introducir aire a alta velocidad se logra que la pieza, en este caso el difusor, sea más efectivo, rinda más.


2. Inyectar aire a alta velocidad mediante el sistema de doble difusor inventado por Brawn en 2009.

Ambos métodos basan su eficacia en la inyección de aire a alta velocidad.

Cuando en 2012 se modificó la normativa y cambió la posición de los escapes, los equipos de F1 utilizaron el efecto Coanda para llevar aire de los escapes (a alta velocidad) a la misma zona superior del difusor, para optimizar el funcionamiento del mismo.

Por otro lado, también se aprovecha todo el aire que circula alrededor de los pontones con el mismo objetivo:

Fue primeramente Red Bull el que utilizó una abertura en la parte trasera inferior de los pontones, para llevar aire a la parte trasera superior del difusor:

Este método ha sido utilizado por numerosos equipos ya:

Pero existe algo esencial en este método: es la introducción de aire, cuanto más mejor, y a los ingenieros de Ferrari se las ha ocurrido una idea genial, en nuestra opinión: se trata de coger aire 'extra', no proveniente del aire que circula alrededor del coche, y aprovecharlo para encauzarlo hacia la parte superior del difusor. Pero, ¿de dónde tomarlo? En su caso, del propio aire de refrigeración que atraviesa los pontones.

Para ello, han dispuesto una serie de rendijas o escamas sobre la parte inferior de los pontones, para que el aire del exterior, dada su elevada velocidad, succione aire del interior de los pontones, incorporándolo a la corriente principal de aire que va hacia la zona trasera.

Por si fuera poco, van más allá: ¿por qué toman el aire de dicha zona y no más arriba, por ejemplo? La respuesta en sencilla: para aprovechar ya la salida longitudinal y pegada ya a la superficie del pontón; de esta forma añaden 'efecto Coanda' a la corriente principal. Es una magnífica idea, pues aprovechan un flujo o cantidad de aire, que de otra forma prácticamente sería desperdiciado 'aguas abajo'.

En nuestra opinión, hay dos tipos de ideas: las geniales, como ésta de Ferrari, u otras como el difusor soplado, el doble difusor, etc. y otras que están muy trabajadas, como por ejemplo los cambios de un alerón frontal, como en este caso también ha realizado la Scuderia para el GP de Bahréin:

Sin embargo, la anterior dicotomía no comporta que las ideas geniales no tengan trabajo y dedicación. Por ejemplo, si hablamos de las escamas o branquias de los pontones en el F138: por un lado, es necesario saber dónde colocar las branquias por altura, pero también por posición longitudinal; y se necesita saber cuántas escamas son las óptimas, así como el tamaño óptimo de las aperturas, entre otras variables.

Cada una de estas necesidades comporta un estudio muy complicado que bien se puede hacer mediante el túnel de viento o mediante técnicas y simulación CFD. Lo óptimo, como siempre, es una adecuada combinación entre ambos métodos.

Ya hemos dicho que las innovaciones aerodinámicas son muy evidentes porque se ven; sin embargo, las innovaciones y los diferentes reglajes para las suspensiones no son nada nada evidentes. Eso no obsta para que los cambios en la suspensión sean prácticamente los que importan más en curva, pues determinan básicamente el comportamiento, por ejemplo, ante los pianos. Estudiar el coche a través de los pianos y a la salida de los mismos es un tema apasionante y digno de invertir mucho tiempo en su estudio y análisis. Muchas veces, las carreras se ganan con eso.

Supongamos ahora un coche a lo largo del circuito. La suspensión vibra en función del asfalto, pero también en función de la masa y reparto de masas que posee el coche. El objetivo es:

1. Hacer que el contacto entre el neumático y el asfalto dure el mayor tiempo posible; en caso contrario, se arriesga una pérdida de agarre y por tanto, una posible salida de pista.
2. Hacer que el contacto entre rueda y asfalto se realice con la mayor fuerza posible. De esta forma, el agarre será máximo.

Estos dos objetivos son básicos y el método que se utiliza para buscarlos se denomina análisis Post Rig. Este análisis consiste en disponer cuatro postes o cilindros hidráulicos donde se apoya el coche; mediante un procedimiento matemático, se analiza la señal de vibración que podemos suministrar al coche y la señal de variación de recorrido de los amortiguadores del coche; mediante este análisis de dichas dos señales, es posible optimizar los objetivos ya señalados.

Imaginemos ahora un coche de F1 sin suspensiones; a lo largo de la recta, observaremos que el apoyo aerodinámico que crea no es constante, sino que tiene tiene unas ondulaciones. En definitiva, la carga aerodinámica 'vibra' en función del tiempo.

Si instalamos al coche la suspensión y observamos la carga aerodinámica generada por el mismo coche, veremos que no es la misma que antes, de modo que un coche con suspensión posee diferente comportamiento aerodinámico que otro rígido.

Supongamos, por simplificar el problema, que tenemos las dos vibraciones, la aerodinámica y la generada por la suspensión. Puede darse el caso de que, a la vez que el coche está subiendo por efecto de la suspensión, la vibración aerodinámica también tienda a subir el coche, es decir, las dos señales se suman:

Por tanto, el coche en ese momento, tenderá a subir; esto es malo, por cuanto significa que el coche tendrá menos agarre al asfalto. En principio hay que intentar que, cuando una vibración tiende a subir el coche, la otra vibración tienda a bajar el coche, de modo que el monoplaza mantiene el mismo agarre sobre el asfalto, o valores muy similares:

Esta optimización de la suspensión para conseguir los dos objetivos anteriores, además de evitar que las vibraciones se encuentren desfasadas, se realiza a través del llamado análisis Aero Post Rig, que combina un estudio aerodinámico con un análisis 'post rig' de los que antes hemos descrito, sirve para reducir el consumo o desgaste de los neumáticos.

Esta optimización del agarre también es posible lograrla de otra forma; producir una vibración 'artificial', de forma que las vibraciones se anulen o mitiguen. Todos recordamos la utilización del Mass Damper por parte del equipo Renault durante la temporada 2006; su objetivo era justamente el mencionado: producir una vibración artificial, una masa dentro de morro que subía y bajaba merced a las fuerzas verticales que actuaban sobre el coche y a la resistencia de un muelle específicamente tarado para anular las vibraciones de la suspensión y, por tanto, mantener el coche a la misma altura sobre el asfalto y con el agarre lo más similar posible:

El FRIC de Mercedes, y los sistemas análogos que ya han implantado varios equipos, produce exactamente lo mismo pero de forma legal. Pero existe otra forma aún más elegante y disimulada de producir el mismo efecto: hacer que determinadas piezas, como el alerón frontal, tengan una determinada flexión que produzcan una vibración; esta vibración actúa exactamente como el Mass Damper. El comentado alerón delantero de Red Bull podría hacer uso de esta técnica.

Es posible realizar esto en otros elementos, pero el alerón frontal, por su posición, es el idóneo. Un buen trabajo con el Aero Post Rig es imprescindible para configurar estas piezas flexibles.

REGLAJES DE BAHRÉIN

Aerodinámica: Al analizar el circuito se puede observar que el 54% de la longitud total es recta, por lo que ser efectivos en esta zona influirá y mucho en el tiempo total de la vuelta. Si a eso se suma que una sección de más de 1,2 km y el 68% de la vuelta total se realizan con el pie del acelerador a fondo, la configuración aerodinámica tiende hacia la media. Es media y no baja porque no se pueden olvidar sectores revirados (curvas enlazadas de la 5 a la 8 ó de la 11 a la 13) donde una buena cantidad de carga puede marcar la diferencia. Si optamos por menos carga, y por lo tanto menos drag, o resistencia al avance, conseguiremos picos de velocidad final de hasta 320 kilómetros/hora, pero nuestro tiempo total cae 1,5 segundos respecto de una configuración con más carga. A medida que se itera con mayor carga, y con las demás variables constantes, se consigue el óptimo en una carga media y con una velocidad final de 306 kilómetros/hora, algo razonable si tenemos en cuenta que Vettel lo consiguió el año pasado con unos 308 kilómetros/hora al final de la recta principal.

A continuación se observa la gráfica correspondiente a las velocidades obtenidas durante la vuelta a Bahréin con dos configuraciones aerodinámicas.

Debemos tener en cuenta que el drag aumenta ligeramente respecto a otros Grandes Premios con configuraciones aerodinámicas similares, debido a que los conductos de refrigeración deben ser adecuados para extraer la energía que los elementos mecánicos generan, más teniendo en cuenta que la temperatura ambiente es muy alta.

Suspensión: En este caso se debe prestar mayor atención a conseguir una buena tracción. El circuito cuenta con curvas cortas y lentas que son el comienzo de largas rectas, lo que implica que esto también determinará la velocidad final. Esta demanda sobre el tren trasero, sumada a las altas temperaturas, provocan alto estrés sobre los neumáticos, lo que repercute en una tendencia al sobreviraje por el desgaste desigual entre el tren delantero y trasero. Nos inclinamos a ablandar todo lo posible el tren trasero sin perjudicar en exceso el rendimiento aerodinámico. Recordemos que si la suspensión es blanda varia la altura respecto del suelo y, por lo tanto, los valores de fuerza provenientes de la aerodinámica.

En este tipo de casos, en los que se demanda mucha tracción, aquellos coches que hayan sido diseñados con una distancia entre ejes menor poseerán ventaja sobre los más largos, ya que se consigue mayor carga sobre los ejes.

Combustible: Nuestros cálculos dieron que el consumo por vuelta está en torno a 2,8 kilos, lo que se traduce en 0,2 segundos de mejora por cada vuelta. En el momento de la salida los coches pesaron aproximadamente unos 799 kilos, con unos 157 kilos de carburante para completar las 57 vueltas exigidas. Podemos ver en la gráfica a continuación cómo afecta esto al tiempo por vuelta y a las velocidades en las distintas partes del circuito.

Un dato curioso es que aquellos equipos que saben que no acabarán en la misma vuelta que los líderes y, por lo tanto, no recorrerán la misma cantidad de kilómetros, pueden comenzar con unos 2,8 o 5,6 kilos de carburante menos, lo que mejora sus prestaciones al inicio de la carrera.

Análisis de Gráfica: En el segundo se observan dos líneas, una correspondiente al peso adecuado en clasificación y el otro hecho para las primeras vueltas de carrera.