Aerodinámica del automóvil: La Búsqueda Del Diseño Imposible

Parece mentira lo poco que se ha escrito acerca de la aerodinámica del automóvil. Mucho se ha escrito y publicado sobre temas relativos al diseño de autos para mejorar sus prestaciones a nivel competitivo, desarrollo en temas como motores, suspensiones, neumáticos, materiales de la carrocería, chasis, amortiguadores, entre otros. Pero se ha escrito y desarrollado mucho menos acerca de la aerodinámica del automóvil.

Se ha de tener en cuenta que la aerodinámica del automóvil representa hasta 40% de la eficiencia total del auto e increíblemente solo el motor puede igualar ese valor, el resto de lo que compone al auto representa el 20% restante.

Usted como lector se preguntará por qué sucede esta carencia, la principal razón de esta carencia de información se basa en que la mayoría de los diseñadores tratan de mantener en secreto sus trabajos, obviamente para evitar que la competencia pueda copiar y mejorar sus desarrollos.

Este post buscará tratar el tema de la aerodinámica del automóvil para su entendimiento en el mundo de la competición de autos, se tocarán aspectos de ingeniería, pero en la línea del entendimiento sencillo para los no expertos de tema. Se hablará un poco de su historia para dar contexto a su aplicabilidad y dar entrada a cómo ha evolucionado, se hablará un poco de los principios que se toman en cuenta en los diseños de la aerodinámica del automóvil.

No se asuste, siempre en la línea de lo sencillo y leíble, así que sin más preámbulo le doy la bienvenida al interesante mundo de la aerodinámica del automóvil.

Breve historia de la aerodinámica del automóvil

No hay, seguramente, otro aspecto de la tecnología de los autos de carrera que haya tenido una influencia mayor en el rendimiento como el desarrollo de la aerodinámica. En todos los campeonatos de autos del mundo, incluidos entre ellos el de Fórmula 1, Fórmula 3000, CART y Fórmula 3, el apoyo aerodinámico es el elemento más importante en el rendimiento de los vehículos.

En los autos deportivos y GT, al igual que los del tipo turismo, el apoyo aerodinámico también juega un papel primordial. En los rallies, en las carreras dragsters, en carreras de montaña, en carreras de óvalos y en una larga lista de categorías automovilísticas, el apoyo aerodinámico del automóvil es un elemento crucial para mejorar las prestaciones.

Comienzo de la reglamentación:

La aerodinámica del automóvil se ha vuelto tan importante que, en la mayoría de los campeonatos de iniciación, los diferentes organizadores se han visto obligados a modificar con regularidad el reglamento que afecta a los apéndices aerodinámicos que se permite utilizar. En algunos casos, esto ha requerido de cambios drásticos con el fin de reducir las prestaciones, ya que el aumento de la velocidad de paso por curva y la reducción de la distancia de frenado comenzaban a ser peligrosos.

Pero en algunas otras categorías, unas revisiones más lógicas sugeridas por especialistas han tenido una respuesta más acertada a este problema y, en cierto grado, se ha conseguido estabilizar los tiempos de vueltas.

La aerodinámica del automóvil juega un papel tan importante en las prestaciones de un auto, que hay categorías en las que los apéndices aerodinámicos están completamente prohibidos, como en la Fórmula Ford o la Fórmula Vauxhall Junior. En categorías superiores, la utilización de apéndices está estrictamente controlada para que los pilotos aprendan progresivamente el modo de manejarlos, explotarlos y ponerlos a punto, para que trabajen a su favor, antes de subir a categorías donde su uso es crucial.

La aerodinámica del automóvil ha recorrido un largo camino en los últimos cuarenta años. El primer intento conocido de montar un alerón en un auto de carreras se considera que lo llevo a cabo un ingeniero suizo de nombre Michael May, en un Porsche Spyder en el año de 1956.

Durante la primera parte de la década de los 60, diseñadores e ingenieros intentaron conseguir una ventaja a través de la aerodinámica del automóvil mediante la reducción de la resistencia al avance, dado a la carrocería una forma lo más afilada posible, o construyendo un coche más bajo con el fin de reducir su área frontal.

Más que las rectas las curvas:

La reducción de la resistencia permitió unas velocidades puntas más altas, pero, a pesar de que esto mejoró la velocidad en las rectas, sólo se mejorarían los tiempos de vuelta si se conseguía mejorar el rendimiento o mantener el rendimiento en las curvas. Y en el caso de los autos deportivos, por ejemplo, construir un auto más bajo y afilado podría haber producido lo contrario del apoyo aerodinámico: sustentación o un efecto ascensional.

Es difícil decir si éste fue el caso, ya que otras áreas en la que se mejoró el rendimiento, tales como la suspensión o la mejora de los neumáticos, contribuían a alcanzar mayores velocidades de paso por curva, reduciendo así el efecto causado por la sustentación.

Pero estos autos tenían las superficies en planta más grandes de todos los tipos de autos de carreras y, en lugares como Le Mans, las velocidades de punta eran mayores que en ninguna otra categoría, y, como veremos en lo porvenir, estos dos parámetros superficie y velocidad, están relacionados con la producción de sustentación aerodinámica del automóvil. Así, el problema era mayor para los autos deportivos, que para cualquier otro tipo de auto.

Por esto era más probable que aparecieran en estos coches las primeras soluciones aerodinámicas para resolver el problema de la sustentación positiva o levantamiento, mediante el uso de spoilers que provocaran la turbulencia del flujo suave del aire acelerado hacia arriba de la superficie del auto (para hacer que se mantuviera pegado al suelo).

Los ingenieros luego de la implementación de los spoilers se comenzaron a dar cuenta que en todas las grandes carreras del mundo se estaban comenzando a descender los tiempos por vueltas, aunque los esfuerzos contra el aire eran mayores en las rectas, sin embargo, la disminución de los tiempos en las curvas era menores, todo esto era gracias al uso del spoiler, ya que, el auto en las curvas podía aumentar su velocidad porque el efecto de levantamiento se reducía.

Aparecen los alerones

La historia siguió avanzando y apareció un hombre llamado Jim Hall, que el 1956 con su Chaparral 2E Bridgehampton en Nueva York. Este hombre fue conocido como el primer hombre en correr con un auto con alerones. Jim pensó en el efecto contrario de las alas de los aviones, pensó que colocarle alerones mantendría mucho mejor al vehículo pegado al suelo.

Y vaya que tuvo razón. No paso mucho tiempo para que en la Fórmula 1 comenzarán a implementar alerones, aunque en primera instancia no duro mucho esto debido a que las primeras implementaciones de alerones fueron defectuosas.

El efecto suelo:

El siguiente avance, que provocó, muy probablemente, el mayor salto en las prestaciones, tuvo lugar en la última parte de la década de los años 70, cuando otro ingeniero, Peter Wright, que trabajaba con Colin Chapman en Lotus y con el apoyo de éste, introdujo el concepto de “efecto suelo” en la Fórmula 1, con el Lotus 78. A pesar de todo, el concepto genera no era nuevo. Una patente de 1930 describía cómo un alerón simétrico creaba apoyo aerodinámico cuando estaba del suelo, y el diseñador de los vehículos que batían todos los records de velocidad, Sir Malcolm Campbell, había encontrado una fuerza de succión contra el suelo por debajo de la carrocería.

Entonces, Jim Hall mostró lo que podía hacerse con un auto que creaba bajas presiones en si parte inferior con su Chaparral 2J en 1970. La intención era pegar al coche a la carretera, y Hall lo hizo utilizando unas grandes turbinas empujadas por motores auxiliares que succionaban el aire de la parte inferior del auto, mientras que unos “faldones” servían para sellar los laterales y permitir la creación de bajas presiones debajo del vehículo.

Williams Grand Prix Enginnering:

Sin embargo, la regla de las partes móviles en la Fórmula 1 hacia este principio de funcionamiento ilegal.

Muchos avances se suscitaron en torno a este tema, no paso mucho tiempo antes de que Lotus fuera superado en su propio juego, por así decirlo. Williams Grand Prix Engineering realizó el más elegante de los coches con efecto suelo con el FW07. El principio del efecto suelo continuó su entrada en categorías a lo largo de todo el mundo, y así nació un numero de diseños clásicos tales como el Ralt RT2/3/4, que tuvo tanto éxito en la Fórmula 2, 3 y el la Toyota Atlantic.

Los coches deportivos también explotaron este concepto y se beneficiaron de sus grandes superficies en planta para producir, literalmente, toneladas de apoyo aerodinámico.

Pero entonces las autoridades deportivas tuvieron unas de sus famosas “reacciones rápidas”, y de repente el efecto suelo había sido prohibido en la Fórmula 1 con la introducción de un “fondo plano” obligatorio entre las líneas de los ejes delantero y trasero. El hacha llegó más tarde a las otras categorías, pero llegó, aunque en la Indycar, donde cuentan con su propio comité técnico independiente, el efecto suelo se sigue utilizando hasta hoy en día, si bien es controlado estrictamente.

Los autos deportivos siguieron con el desarrollo del efecto suelo, explotando la relativa libertad que su reglamento permitía, al igual que la enorme superficie en planta disponible para generar el apoyo aerodinámico del automóvil.

La Fórmula 1 vivió, en 1989, el regreso de los motores aspirados de 3,5 litros, con una reducción de la potencia a niveles más modestos. La cuestión de “apoyo contra resistencia” tuvo que ser reconsiderada, y los diseñadores comenzaron a mirar al fondo del auto como un productor de apoyo aerodinámico del automóvil en potencia. Se llegó a la conclusión de que, con el suficiente espacio entre el auto y el suelo, y un morro delantero inclinado, se podía crear una forma cruda de sección VENTURI a pesar del fondo plano.

Se comprobó que era vital que el aire que pasaba por debajo del auto saliera de la forma más eficaz posible por la parte trasera, y los difusores aparecieron para cumplir esa misión. Se había descubierto un aspecto del apoyo aerodinámico del automóvil completamente nuevo; en los siguientes años la evolución fue constante.

Una semana para el olvido:

Luego de tantos avances llego una semana terrible para el automovilístico, el fin de semana de Imola en 1994, donde Roland Ratzenberger y Ayrton Senna perdieron sus vidas en dos accidentes diferentes, la FIA, el organismo que rige los deportes a motor, realizó unos cambios destinados a reducir el apoyo aerodinámico del automóvil de manera significativa. Algunos cambios tuvieron efecto inmediato, y sirvieron para reducir el apoyo en cierto grado.

Pero una regla introducía en 1995, que también fue aplicada en la Fórmula 3000 y la Fórmula 3, limitó el espacio mínimo entre gran parte del fondo del coche y el suelo; era el “fondo escalonado”. Esto produjo una reducción de los niveles de apoyo (quizás hasta un 40%), y además mejoró la sensibilidad de los monoplazas a los cambios de altura relativos al suelo, lo que los hizo más predecibles y, por tanto, más seguros de pilotear.

(Desde 1995, todos los vehículos de la Fórmula 1 están obligados a llevar fondos escalonados, como en este Ferrari F310 de 1996)

En esa etapa de cambio en las competiciones automovilísticas europeas, la organización de la Fórmula Indy había estado realizando cambios frecuentes en las reglas con el fin de mejorar el rendimiento de los autos, e imponía casi cada año cambios drásticos, y los organizadores limaban las impurezas para asegurarse de que las prestaciones no se les escaparan de las manos. Naturalmente en este periodo los diseñadores hacían lo que podían en la línea de la aerodinámica del automóvil.

A lo largo de todo el periodo descrito brevemente aquí, algunas categorías han desaparecido y otras se han creado, algunas han seguido sin cambios y otras se han adaptado a las nuevas tecnologías. Pero sea cual sea el modo en el que ha sido permitido, el apoyo y avance aerodinámico del automóvil éste ha tenido una influencia enorme en las prestaciones de todos los autos del mundo.

Aerodinámica del automóvil, un soplo de aire

Cuando la vemos acelerar a lo largo de una pista, siempre parece increíble que una maquina tan vasta y pesada como un avión de pasajeros puede levantar el vuelo. Y, sin embargo, las fuerzas que lo elevan y lo mantienen arriba son creadas solamente por sus estilizadas alas cortando el aire, mientras el avión se mueve.

Parece igualmente increíble que un monoplaza de Fórmula 1 o de Fórmula Indy actual pueda generar suficiente sustentación negativa, o carga aerodinámica, como para ser capaz de rodar por el techo de una habitación muy grande y, mediante su propia carga aerodinámica, mantenerse ahí arriba, cabeza abajo, desafiando la gravedad.

Por supuesto, tendría que ser una habitación muy grande, como para permitir al bólido alcanzar la velocidad suficiente, y dejaremos de lado cómo haría para llegar hasta ahí en primer lugar. Pero el principio en sí es válido, incluso si la parte práctica debe ser dejado un poco de lado. Entonces, ¿cómo es posible crear tales fuerzas sólo con el delicado aire?

Intuitivamente, conocemos de manera natural algunas fuerzas aerodinámicas del automóvil. Si estamos viajando en un auto y sacamos un brazo por la ventanilla abierta, podremos sentir bastante fuerza haciendo presión sobre nuestro brazo. Si la palma de la mano está abierta e inclinada hacia arriba o hacia abajo, podemos sentir cómo esta fuerza nos empuja en esa dirección a la vez que empuja el brazo hacia atrás.

Pero éstos son los elementos obvios de las fuerzas que actúan sobre los objetos. Existen otros más sutiles pero muy significativos, que crean fuerzas que se encuentran en diferentes ángulos con respecto al flujo de aire, en lugar de en su misma dirección. Un profesor de física de en la universidad me enseño el siguiente experimento, que ilustra de manera gráfica cómo se crea la sustentación gracias al aire que circula por una superficie.

Tome una hoja de papel corriente por las esquinas de uno de los lados cortos, con los dedos índice y pulgar de cada mano. Ahora sujete la hora de papel a la altura de su boca, tocando su labio inferior, de tal modo que el borde cerca de su boca quede horizontal y la flexibilidad del papel le permite colgar hacia abajo. Ahora sople de forma horizontal, a lo largo de la superficie de la hoja. ¿Ve 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 claramente que hay una fuerza actuando sobre el papel, que hace que suba contrarrestando la fuerza de la gravedad. Es el flujo de aire que causa esta fuerza de sustentación, sin embargo, la fuerza está actuando de manera perpendicular a la dirección del flujo de aire. Ésta es la fuerza que mantiene a los aviones en el aire. También es la fuerza que empuja a los autos de carreras contra el suelo.

A continuación, dejaré un vídeo que explica el efecto aerodinámico del automóvil, explicando gráficamente con algunos conceptos físicos indispensables para el correcto entendimiento del por qué sucede la sustentación.

No lo crea, visualícelo y cuantifíquelo:

La aerodinámica del automóvil puede ser una rama de la ingeniería, pero no por ello deja de ser una forma de arte. Si fuera simplemente una disciplina científica, casi todos los autos tendrían un aspecto prácticamente idéntico, y probablemente sus prestaciones también lo serían. Afortunadamente, éste no es el caso, y aún existe lugar para el individualismo y la creatividad.

Esto nos lleva a pensar que el aerodinamista aficionado tiene las mismas posibilidades de hacer que sus ideas funcionen. Pero, con el fin de mejorar las probabilidades de éxito, es bueno determinar qué está pasando en el aire que se mueve alrededor del auto.

Existen varios modos de hacer esto, algunos más precisos que otros, y hay algunos que el diseñador amateur sólo puede ver desde la comodidad de su sillón (por el dinero que implica). A pesar de todo, con observaciones cuidadosas una gran cantidad de datos que le ayuden a diseñar y desarrollar un auto de carreras

Visualización del flujo:

Cuando se le preguntó por qué vivía en Nueva York, el cómico Woody Allen contestó en una ocasión: “No confío en el aire que no puedo ver”. Probablemente no se dio cuenta en ese momento, pero había dado con uno de los problemas principales que tanto los profesionales como los amateurs dentro del mundo de la aerodinámica del automóvil tienen que afrontar.

Ellos no pueden ver el medio con el que están trabajando hasta lo que contaminan con algo, o utilizan algún método de revelar la dirección en la que está fluyendo y el estado en el que se encuentra, o sea, turbulento o suavizarlo.

A veces es posible ver los movimientos del flujo alrededor de los coches desde la pista, o incluso en la televisión. Por ejemplo, en días particularmente húmedos, los coches de Fórmula 1 de la CART/IRL pueden generar vórtices visibles en el alerón trasero.

Por supuesto, los vórtices están siempre ahí cuando el coche está en movimiento, pero la especial naturaleza de las condiciones atmosféricas húmedas hace que la baja presión en el núcleo del vórtice haga que se condense el vapor de agua y se vuelva visible temporalmente.

La visualización del flujo no es una técnica primaria para los especialistas en la aerodinámica del automóvil, pero suele ser utilizada como un método para comprobar el resultado de los cambios y modificaciones llevadas a cabo sobre algún elemento. Por ejemplo, durante unas pruebas en el túnel de viento, aumentar gradualmente el ángulo del alerón puede suponer mejoras hasta el punto en el que comienza a disminuir.

Se asume, obviamente, que el alerón ha entrado en pérdida, pero quizá sólo parte de éste lo ha hecho. Utilizando medios para la visualización del flujo alrededor del alerón en cuestión, se puede llegar a averiguar cuál es la parte de dicho alerón que está en perdida. Y si esto resulta así, la envergadura del alerón puede ser modificada para que el flujo a lo largo de esa envergadura siga fijado durante más tiempo, lo que permite generar mayor carga aerodinámica del automóvil antes de que tenga perdida.

Los hilos de lana:

El más famoso y quizás el más utilizado de los métodos para ver los patrones del flujo cerca de la superficie del coche es el método de los “hilos de lana”. Con cinta adhesiva, se fijan hilos de lana de aproximadamente 50 a 75 mm de longitud en las expuestas del vehículo, o sea, en los alerones, spoilers y todas las demás partes de interés (incluyendo posiblemente el casco del piloto), para que puedan moverse hacia atrás en la dirección del flujo.

Después se comienza a rodar con el coche, quizás a unas velocidades determinadas de antemano, mientras los observadores miran y hacen fotografías. Esto se puede hacer desde el borde de la pista, o desde otro auto que rueda al lado, asumiendo que la pista permita hacerlo. Sin embargo, se debe tener cuidado que el segundo coche no interfiera con el flujo de aire que golpea al auto medido. ¡No deben estar tan cerca entre sí!

Adquisición de datos:

Un aspecto de la tecnología de los autos de carreras que ha crecido y se ha desarrollado rápidamente en los últimos 10 años es la adquisición de datos. Ahora es posible para el competidor aficionado comprar casi la misma clase de aparatos electrónicos de recogida de datos que utilizan los profesionales, y amasar montañas de información sobre los parámetros del chasis y el motor. Pero la recogida de datos no tiene por qué ser cara. Lo importante es hacer observaciones cuidadosas, y anotaciones igual de cuidadosas, de todo lo relevante que pueda ser medido.

Si sólo puede contar con un cronómetro, entonces asegúrese de que toma todos los tiempos realmente relevantes, los totales, así como los parciales en las partes más críticas del circuito. Si, por ejemplo, le interesa es añadir más carga aerodinámica del automóvil para mejorar el paso por una curva, entonces cronometre su auto en las curvas donde más se notará esa diferencia; si es resistencia lo que quiere evitar, entonces tome los tiempos de los segmentos de recta. Y después compare estos valores con los tiempos parciales para comprobar el impacto general de los cambios realizados.

Esta clase de pruebas no requieren de un presupuesto muy grande, y se consigue una información muy útil.

Conclusiones

Hemos pasado bastante tiempo describiendo y estudiando cómo se genera la carga aerodinámica del automóvil. Describimos una breve historia de su impacto en las competencias mundiales más representativas del mundo motor. Quizás una de las cosas más sensatas que puede probar es separar el equilibrio mecánico de su auto del equilibrio aerodinámico.

Es una situación bastante frecuente de alguien intente solucionar un desequilibrio mecánico mediante un ajuste aerodinámico, o viceversa. Esto no es sólo aplicable a los escalones más altos de la competición. Pero, por ejemplo, no parece haber ninguna razón lógica, en ninguna categoría, para intentar curar un desequilibrio de un chasis en las curvas lentas haciendo cambios aerodinámicos.

Sea lo que sea, es algo que debemos deslindar, y el conocimiento pleno acerca de lo importante que es la aerodinámica del automóvil para una mejora total de las prestaciones. Luego de haber leído este post habrá descubierto algo que le permite ir más rápido, sin embargo, si va más lento no le eche la culpa al post. Buena suerte.

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