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Técnica

Alerones mariposa: cómo se rompió el alerón de Vettel

La vibración de los neumáticos de unos 35 Hz provocaron el desprendimiento del alerón delantero de Vettel por fractura del soporte por fatiga.

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Todos pudimos presenciar el desprendimiento del alerón delantero en el monoplaza de Sebastian Vettel. Era la vuelta 39. Sebastian cometía un trompo tratando de adelantar a Lewis Hamilton, bloqueando los cuatro neumáticos. Esto provocaría un plano en cada uno de los cuatro neumáticos.

Como sabréis, a consecuencia de esos planos y las vibraciones que provocaba, se rompió el alerón delantero. A continuación explicamos cómo un plano de unos pocos milímetros pudo causar la rotura de todo un alerón. Además, simulamos las circunstancias en las que esta se dio. Aunque con parámetros aproximados, el fenómeno se puede reproducir con un ordenador.

La suspensión filtra las vibraciones

Las vibraciones de la carretera son ondas. La rueda impacta con ellas. Estas ondas tienen una frecuencia, que simplemente es el número de veces que se repiten en un segundo. Una vibración de 10 Hz se repite 10 veces en un segundo. La suspensión puede verse como «una caja negra» que transmite una vibración al resto del vehículo. Esta caja negra recibe una entrada, que es la vibración de la carretera, y tiene una respuesta, que es la vibración que se transmite al vehículo.

MomentoGP

La  vibración que se transmite al vehículo es de la misma frecuencia que la de entrada. Si un coche pasa por un tramo bacheado con cierta velocidad, de forma que, hay 5 baches cada segundo, la frecuencia que percibe un pasajero en el coche es de 5 Hz. Sin embargo, la intensidad de la vibración es menor, debido a que la suspensión hace su trabajo y lo filtra… casi siempre.

El filtro de la suspensión no es igual para cada frecuencia. A bajas frecuencias, la suspensión es muy poco efectiva, mientras que a altas frecuencias es tan efectiva que prácticamente no se transmite ninguna vibración. Esto es así porque no tiene la misma importancia un movimiento que se repite pocas veces que otro que se repite muchas veces en el mismo tiempo. El objetivo es filtrar las altas frecuencias, en coches de calle por comodidad y comfort, en Fórmula 1 por estabilidad y manejabilidad.

El siguiente gráfico es el diagrama de Bode de una suspensión. Representa, para cada frecuencia, cómo de intensa es la vibración que transmite. Cuando a una frecuencia le corresponden 0dB, la vibración transmitida es exactamente igual a la de la carretera. Cuando está por debajo, se transmite muy atenuada. Como se puede ver, hay unas frecuencias donde se transmite una vibración mayor. Estas son las frecuencias que están cerca de la frecuencia de resonancia. En un Fórmula 1 suele ser de 7 Hz, una frecuencia que es demasiado baja en el rango de trabajo del monoplaza.

MomentoGP-Software MATLAB

La vibración que transmitía el neumático de Vettel

En el momento exacto en el que se rompió el alerón de Vettel, este rodaba a 260 km/h. Suponiendo que las vibraciones estaban en fase, y teniendo en cuenta que el diámetro exterior de los neumáticos en Fórmula 1 es aproximadamente de 650mm (es el valor máximo), podemos calcular la frecuencia de vibración exacta a la que se rompió el alerón: 35 Hz.

APP Fórmula 1. Se puede ver que la velocidad exacta de Vettel en el incidente es de 260 Km/h

Una vez conocida la frecuencia de vibración que recibe el neumático, podemos simular cuál es la vibración que se transmitía al monoplaza, una vez pasado el filtro de la suspensión. Para modelar la suspensión, hemos introducido los siguientes valores:

Masa del vehículo=700 kg (175 kg en cada rueda)

Carga aerodinámica=10.000 N

Constante de rigidez de la suspensión=90000 N/m

Constante de amortiguación=7200 Ns/m

Todas las constantes son valores razonables en la situación en la que se produjo el incidente de Vettel. Aunque no diste mucho de la realidad, no son valores exactos. Sin embargo, el fenómeno que queremos explicar se ve perfectamente.

Simulamos la respuesta de la suspensión ante una vibración rectangular de 35 Hz y la respuesta es la siguiente.

MomentoGP-software MATLAB

En azul vemos la vibración producida por la rueda con el plano. En amarillo vemos lo que percibe el monoplaza tras filtrar la vibración la suspensión. Vemos que esta vibración a penas se transmite. Sin embargo, algo pasaba. ¿Por qué Vettel prácticamente no podía hablar de la vibración que sufría? ¿Por qué se rompió el alerón?

La respuesta es la vibración en la fibra de carbono.

Resonancia del alerón

El alerón se puede modelar como un muelle con una masa en su extremo. Cuando en su soporte central se ejerce un movimiento, en sus extremos se produce una reacción contraria que provoca una oscilación. Al igual que con la suspensión. también podemos ver un diagrama de Bode con el comportamiento del alerón para cada frecuencia. (Hemos despreciado la fricción con el aire, que a efectos prácticos no influye).

Como vemos, aquí se transmite la vibración a bajas frecuencias completamente igual. Sin embargo, a una cierta frecuencia, la de resonancia, la amplitud de la vibración aumenta enormemente. Hemos simulado este fenómeno en el caso de que coincide la frecuencia de resonancia con los 35 Hz, como se evidencia en las imágenes. La onda de entrada, ahora de color azul, es la onda que transmite la suspensión (amarilla en el diagrama anterior). La onda amarilla es la onda con la que vibra el alerón. 

MomentoGP-software MATLAB

Como podemos ver, en poco tiempo la vibración se puede volver catastrófica, a pesar de que la excitación del alerón sea muy poca. De hecho, a partir del tercer segundo, parece prácticamente constante. Sin embargo no lo es: hay pequeñas oscilaciones muy pequeñas. Esto hace que el alerón amplifique su oscilación cada vez más.

El alerón no se rompió en sí mismo, sino que se rompió el soporte. Cambios tan grandes en la amplitud requieren un esfuerzo enorme en el soporte que lo sujeta. Llega un momento en el que esta fuerza supera el límite de fluencia de la fibra de carbono de esa zona, y se produce una rotura frágil, con resultado catastrófico como pudimos comprobar. No será la última vez que veremos algo similar. Siempre se podrá explicar de forma similar a lo sucedido esta vez. Hasta entonces, seguiremos viendo alerones mariposa.

 

Simulación realizada con Matlab-Simulink, con licencia de estudiante del Politécnico di Milano, sin ánimo de lucro.

 

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Técnica | Las mejoras aerodinámicas traídas por Ferrari a Hungría

En Ferrari apuestan por un perfil con forma de ‘boomerang’ como ya han hecho otros equipos de la parrilla.

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Después de un largo descanso en lo que respecta al desarrollo aerodinámico, en Hungría han llegado finalmente las actualizaciones en el SF90. Es un trazado que premia a los monoplazas con elevada carga aerodinámica, aspecto en el que el SF90 pierde frente a sus rivales, a cambio de contar con mayor eficiencia aerodinámica. Ferrari ha traído nuevas soluciones para la zona comprendida entre el eje delantero y el cuerpo del monoplaza. Sin embargo, el Hungaroring es un tipo de circuito en el que salen a relucir las cadencias del Ferrari, cuya mayor tara es la escasa velocidad en curva lenta.

Delante de las entradas de aire de los radiadores, los ingenieros aerodinámicos de Maranello han aumentado sensiblemente el tamaño de los perfiles horizontales presentes ya desde hace tiempo en el monoplaza, pero cuyas dimensiones eran bastante reducidas. Es el mismo camino que han seguido sus adversarios, entre los que se encuentra Mercedes, pero sobre todo Red Bull.

Antonio Granato

La solución presentada en Budapest (que si proporciona resultados alentadores podrá ser muy útil también en otros tipos de trazado) consiste en un doble perfil a ‘boomerang’, como se puede ver en la imagen, que ‘limpia’ el flujo de aire, eliminando todo tipo de distorsiones, perturbaciones y turbulencias nocivas aerodinámicamente generadas por el ala, los neumáticos y los numerosos brazos de las suspensiones delanteras.

Se trata de hecho de una zona notablemente importante en términos aerodinámicos en un monoplaza, donde el flujo de aire debe dirigirse lo más ordenadamente posible hacia la parte inferior o los laterales del monoplaza. Cuanto mejor se realice esto, mayor será la carga aerodinámica generada en la parte posterior. Al mismo tiempo, soluciones de este tipo ayudan a mantener la eficiencia aerodinámica a un nivel óptimo, reduciendo las turbulencias y el drag global del monoplaza.

Antonio Granato

En Red Bull parece que ya habían dado una respuesta similar a este problema desde el principio de temporada. Adrian Newey desde comienzo de temporada una solución de este tipo con un perfil único que poco más tarde pasó a ser doble. Es probable que en Ferrari se puedan obtener claros beneficios con esta actualización, siendo el SF90 un monoplaza mucho más cercano conceptualmente al RB15, algo que no sucede con el Mercedes.

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Análisis Entrenamientos Libres: ¿Vuelve Ferrari?

Ferrari parece que puede dar la sorpresa, pero sobre todo, se puede esperar una carrera muy apretada, según los datos de vueltas

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Tras una gran divertidísima carrera en el circuito del Silverstone, llegamos al Hockenheimring. ¿Puede que aquí tengamos un nuevo ganador, esta vez de rojo? ¿Es un nuevo espejismo y finalmente las flechas de plata mantendrán su estatus? Analizamos lo que nos dicen los números y tiempos. (más…)

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Análisis Técnico | Novedades para el GP de Gran Bretaña

Williams sorprende con las modificaciones que ha traído a Silverstone después de un largo periodo de crisis. A estas alturas, cualquier cambio es positivo para el equipo

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Llega el Gran Premio de Gran Bretaña y desde MomentoGP hemos recogido algunas de las novedades que traen a Silverstone los diferentes equipos de la parrilla. ¿Tendremos una victoria diferente este fin de semana? ¿O continuaremos con el dominio absoluto de Mercedes a pesar de las mejoras del resto de pilotos?

A la espera de ese ansiado paquete aerodinámico del que se lleva hablando gran parte de la temporada, el equipo comandado por Otmar Szafnauer, continúa realizando pequeñas modificaciones en el monoplaza y esta vez es turno del ala delantera.

Se ha modificado la pletina lateral del ala delantera, ahora más recortada y aparentemente más ancha que lo visto en otros GPs. El beneficio que le puede traer este nuevo diseño no tiene tanta relación con ganar décimas, sino con el equilibrio del coche, aunque queda por ver como se comporta en los entrenamientos libres.

Fuente: Giorgio Piola

En cuanto a Renault, pocos cambios ha realizado el equipo francés para el Gran Premio de Gran Bretaña: han incorporado una nueva especificación de flaps en el alerón delantero, cambiando el diseño de los dos aletines superiores, alargándolos.

Fuente: Albert Fábrega

Los de Toro Rosso no han traído grandes mejoras para la carrera inglesa, a excepción de realizar tres aperturas para la refrigeración en el monocasco de su monoplaza, al igual que Mercedes.

Williams ha aprovechado los 50 años de Frank Williams en la Fórmula 1 para traer las primeras novedades aerodinámicas de la temporada. A pesar de que el equipo atraviesa una profunda crisis, lo cierto es que todas las modificaciones que se hagan en el monoplaza para recortar distancia con sus rivales, son positivas.

Se ha rediseñado el soporte de los espejos retrovisores y la entrada de aire de los pontones, muy similar ahora al diseño de Racing Point y que no dista demasiado del Red Bull y del McLaren.

Fuente: VivoF1

Como se observa en el círculo de la imagen adjunta, los ingenieros de Williams han optado por una configuración muy similar a la utilizada por otros equipos, aunque, a diferencia de Renault, existe un corte entre el elemento horizontal y vertical, con un extremo curvo para favorecer el outwash.

Los espejos retrovisores también han sido modificados y validados por la FIA. Son muy parecidos a los que monta McLaren y con ello se busca minimizar el impacto del flujo de aire sobre este elemento que tantos dolores de cabeza da.

El equipo McLaren, por su parte, modifica el fondo plano para el nuevo diseño de los bargeboards que se han instalado, nuevas formas para tratar de mejorar la aerodinámica del monoplaza.

Fuente: Albert Fábrega

En cuanto a Ferrari, los italianos apuestan por realizar algunas modificaciones que los acerquen un poco más a la tan ansiada victoria sobre sus rivales. Han cambiado el diseño de la tapa motor, dividida en dos piezas, por un único elemento sin juntas, pues cualquier alteración de la superficie conlleva algo de pérdida en cuanto a la aerodinámica del coche.

Fuente: Albert Fábrega

Alfa Romeo trae nuevo morro para la carrera en Gran Bretaña, un nuevo diseño de soporte frontal y distinta curvatura en el alerón delantero, además de las claras diferencias en el lateral del morro, totalmente cambiado.

Fuente: Albert Fábrega

 

Fuente: Albert Fábrega

Por último, cabe destacar que el equipo Haas, lejos de traer nuevas mejoras, ha decidido regresar a la especificación que montaron en Australia. La incógnita está en aire, este fin de semana descubriremos si este retroceso les hace avanzar dos pasos más o, por el contrario, los arrastra más abajo en la parrilla.

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