La influencia de la carga aerodinámica en el paso por curva

No hay duda de que la incorporación de elementos aerodinámicos en los automóviles de competición a mediados del siglo XX revolucionó el deporte de motor, especialmente la F1. Gracias al uso de diversos dispositivos como alerones o difusores se aumentaron las velocidades de paso por curva y se redujeron drásticamente las distancias de frenado, llegando incluso a alcanzar valores peligrosos. Es por esto que los máximos organizadores de los diversos campeonatos se vieron obligados a revisar los reglamentos para limitar el uso de estos apéndices aerodinámicos. 

Primeras apariciones de alerones en las carreras de F1

Este año, gracias al aumento de la anchura de los neumáticos, se ha incrementado el agarre mecánico. Además, el cambio de reglamento ha permitido aumentar la altura del difusor, el ancho del monoplaza y la envergadura de los alerones, lo que ha posibilitado un considerable aumento de carga aerodinámica. Ambos factores han mejorado el paso por curva, reduciendo hasta en 3-5 segundos los tiempos por vueltas en circuitos revirados como Montmeló o Hungaroring. Sin embargo, en el presente artículo dejaremos de lado el primero para centrarnos únicamente en cómo el desarrollo de agarre aerodinámico ha influido en esta disminución de los tiempos.

Para comenzar, debe quedarnos claro cuáles son las componentes de la fuerza aerodinámica: la sustentación y la resistencia. La primera, en el caso de un automóvil, se encarga de «pegar» el coche al suelo (sustentación negativa), mientras que la segunda se opone al avance del vehículo.

La sustentación tiene origen en la diferencia de presiones generadas por las distintas velocidades del flujo de aire en la parte superior e inferior del ala. El aire que fluye debajo del ala posee mayor velocidad que el aire que circula por encima, lo que genera un gradiente de presiones en dirección descendente que empuja el coche hacia el suelo, como podemos apreciar en la siguiente figura.

Representación de las dos componentes de la fuerza aerodinámica en un vehículo.

Tal y como se ha mostrado, la diferencia de presiones genera una fuerza que podemos representar con ayuda del álgebra como el coeficiente de sustentación (C_L) o el de resistencia (C_X) multiplicado por la presión dinámica y por el área. Dicho área de referencia empleado suele depender del objeto a analizar, así pues, en el caso un ala se toma la superficie de la planta, pero para el estudio de un vehículo, como es nuestro caso, emplearemos como dato la superficie frontal.

Una vez que nos ha quedado claro cómo actúa la fuerza aerodinámica pasamos a estudiar su influencia durante un giro. En una situación ideal como la que vamos a estudiar, el comportamiento de un vehículo en curva queda reducido a la fricción y al agarre, es decir, a la fuerza de rozamiento. Esta es directamente proporcional al coeficiente de rozamiento (µ) entre el neumático y la carretera, y la reacción al peso del monoplaza (N=M·g).

La fuerza centrípeta (y no centrífuga) que es la responsable del giro en una curva es igual a la fuerza de rozamiento generada por el conjunto.

En esto último se encuentra el punto clave de la cuestión. El hecho de que el vehículo se encuentre bajo la influencia del aire (fluido denso y viscoso) permite que la aerodinámica entre en juego a la hora de realizar este sencillo estudio dinámico. Como vimos anteriormente, el coche en conjunto, gracias al comentado gradiente de presión, es capaz de generar fuerzas verticales que «aumentan» el peso del monoplaza a cierta velocidad. Si el coche creara sustentación positiva, al igual que hacen los aviones, la fuerza de rozamiento se vería reducida, mientras que si genera sustentación negativa la fuerza de rozamiento aumenta, mejorando la velocidad en curva (además de la capacidad de frenada y aceleración).

De este modo, un monoplaza ficticio de masa 720 kg trazando una curva de radio constante 60 m y con unos neumáticos que se comportan de forma lineal (no derrapan) y que poseen un coeficiente de rozamiento de valor 1’4 es capaz de viajar a una velocidad de 28,7 m/s (103,3 km/h) si circulase con la ausencia de componentes aerodinámicos. Sencillo cálculo que podéis hacer despejando la velocidad de la ecuación de la última figura.

Imaginemos ahora que ese vehículo es un Formula 1 con un área frontal de 1’5 m², un coeficiente de sustentación 2’5, y que viaja a través de aire con densidad 1,22 kg/m³. Utilizando la ecuación de la sustentación aerodinámica y sustituyendo estos valores, calculamos que el vehículo es capaz de generar 192 kg de carga aerodinámica (1885 Newtons). Esta cifra será la que sumaremos a la masa del vehículo, pues en estos momentos el coche ya no está siendo únicamente empujado por su propio peso hacia el suelo, dando como resultado una velocidad de paso por curva de 32,3 m/s (116 km/h).

Como podemos apreciar hay un claro incremento de la velocidad, que en un tramo de 100 m se traduce en una mejora de casi 4 décimas de segundo. Sin embargo, esto es una representación ideal y en ningún caso se corresponde con la realidad. Es más, se encuentra muy lejos de ella pues no hemos tenido en cuenta el hándicap de la resistencia, la influencia del agarre mecánico (deformaciones de suspensiones, chasis, neumáticos…), y que tanto el radio de la curva como el coeficiente de rozamiento de los neumáticos es constante. Además, estamos suponiendo que el piloto es capaz de circular a una velocidad constante y controlando el coche en el límite de su agarre, algo prácticamente imposible…

Flujo de aire en un F1

Aún así, nos ayuda a entender el papel crucial de la aerodinámica en el desarrollo de un automóvil de competición, dónde los GT son capaces de generar hasta 700 kg de empuje por los 2500 kg de un F1. Sin duda, una cifra brutal la de estos últimos, la cual se alcanza a altas velocidades (recordemos que el empuje varía con el cuadrado de la velocidad) y que es equivalente a 3,5 G de fuerza, permitiendo a un Fórmula 1 poder rodar boca abajo sobre un techo.

Ahora imaginen un 2-3% de esos 2500 kg: esto es lo que marca la diferencia entre escuderías como McLaren y Williams en circuitos como Hungaroring, dónde los de Woking son capaces de ponerse como «los primeros del resto».