¿FLIPAMOS CON EL AIRE? Opciones

[Raquel]

No sé en dónde podría derivar todo esto. Sólo sé un punto por el que se puede empezar y que a mí me ha ayudado a reconocer -junto a otros documentos, artículos, consejos, explicaciones...- que, cada vez que pretendo plantar cara un poquito a todo esto, me guste más .

La aerodinámica plantea un reto invitable (e inesquivable) en la proyección de un monoplaza F1. Si además de las carreras te gusta, como es mi caso, todo lo que envuelve de una forma interdisciplinaria a la construcción del coche más veloz sobre la tierra... ¿cómo obviarla?

Que el punto de partida sea un libro que, en concreto, me cuesta mucho: "Aerodinámica del automóvil de competición", de Simon McBeath.

A donde nos lleve no soy capaz de precisarlo justo al empezar. Ya veremos...

Pero me vais a permitir que, en adelante, no resuma textos -lo cual me resulta francamente aburrido-, sino que os los pase tal y como intento comprenderlos yo. Obviamente, habrá muchos puntos o párrafos entrecomillados donde quizás sea lo mejor la cita textual del autor.


INTROCUCCIÓN: Un reto muy difícil

Prólogos a el libro de Simon McBeath, "Aerodinámica del automóvil de competición".

Palabras extractadas de Enrique H. Scalabroni. Ex ingeniero de Williams, Ferrari, Lotus y Peugot.

¿Cuánta bibliografía podríamos encontrar sobre diseño de coches de competición? ¿Cuánto sobre la preparación de los motores, el estudio de las suspensiones, composites y materiales empleados, la dinámica de estas máquinas que deben volar sin despegarse del asfalto, la estructura de este ensamblaje de piezas, el chasis, amortiguadores y un sinfín de sistemas, mecanismos y piezas?

Y, sin embargo, muy poco tenemos al alcance de las manos cuando nos enfrentamos a la aerodinámica de estos coches de competición. Curioso, sí, pues lo 1º que uno se pregunta es por qué se da esta carencia de documentación en un terreno que representa un 40% aproximado en el éxito de este tipo de coches, teniendo en cuenta, además, que este porcentaje sólo sería equiparable a las necesidades de un motor (el resto representa un 20%). La razón parece estar en el propio secretismo del trabajo de los aerodinamistas y diseñadores; en un intento de salvaguardar los intríngulis de su trabajo ante el competidor o rival.

Prólogo de Gordon Murray, director técnico de Mclaren Cars Motorsports :

"La aerodinámica de los automóviles de competición es, sin duda, una de esas extrañas maravillas que se pueden encontrar en las librerías."

Pero G. Murray empieza su prólogo señalando: "Durante la corta historia de las carreras de coches, se han escrito pocos libros dedicados al diseño, desarrollo y areodinámica de los bólidos de competición que hayan tenido una lectura accesible. Recuerdo haber estudiado de punta a punta el libro Racing and Sports Car Chasis Desing , de Phipps y Costin cuando diseñaba mi 1er coche de carreras a los 18 años y, como era el año 1965, no había ninguna sección dedicada a la aerodinámica. El libro tuvo un valor incalculable para mí en aquella época, ya que representaba el único trabajo práctico que trataba sobre el diseño de un coche de carreras."

¿Qué tal si nos atrevemos con los 1º principios del tema?
Simon McBeath nos dice: "Que la fuerza te acompañe" . Pues en este caso intentaremos analizar cómo es posible que una fuerza tan sutil a nuestra percepción más inmediata -salvo excepciones-, como es el AIRE, sea capaz de crear potencia suficiente como para...

Levantar un pesadísimo y cargado artilugio volador: un avión

¿Quién no ha sido niño y no se lo ha preguntado alguna vez? Cuando vemos a un avión recorrer aceleradamente una pista, la primera sensación intuitiva vendría a ser: ¿cómo pude despegarse "semejante bicho-pesado"? Y, más allá de nuestro asombro al comprobarlo, reseguimos con la mirada mientras nos deja cómo se mantiene al vuelo, para volvernos a preguntar: ¿qué hace que esté en el aire?

Y, quién lo diría a simple vista... son sus alas estilizadas las que, cortando el aire, crean las fuerzas necesarias como para que el propulsor de tal imponente máquina sea eficaz en el vuelo.

Tan increíble o más que la ingenuidad producida ante esa percepción de un avión en vuelo, lo son las causas que permiten entender que un F1 posea la suficiente capacidad de generar sustentación negativa -o carga aerodinámica- y no volar. El ejemplo que se nos pone más bien parece de ciencia ficción: un monoplaza de F1 podría mantenerse, cabeza abajo, sobre un techo de un espacio grande, desafiando a la propia gravedad sin llegar a caerse. Es evidente que para poder observarlo en las alturas se haría necesaria la dimensión o amplitud de un lugar que le permitiera alcanzar la suficiente velocidad.

Hay experiencias muy simples por las que todos podemos pasar y son capaces de mostrarnos cuán caprichosas son las formas con las que le gusta al aire jugar. Sacamos un brazo por la ventanilla de un coche en marcha. Inmediatamente sentimos la presión que su fuerza ejerce sobre esa extremidad. Abriendo la palma de la mano con una inclinación hacia arriba o hacia abajo, percibimos que la fuerza del aire nos empuja en esa dirección y, a su vez, se nos lleva el brazo hacia atrás.
Lo malo del problema empieza cuando ahondamos en el intento de comprender otros efectos más sutiles que escapan a una "percepción de andar por casa", por decirlo de alguna manera. Y los efectos pueden ser muy significativos. Vayamos a un experimento un pelín más complejo:
"Un profesor de Física me enseñó el siguiente experimento que ilustra de una manera gráfica cómo se crea la sustentación gracias al aire que circula por una superficie . Tome una hoja de papel corriente del tamaño DIN-A4 (297mm x 210mm) por las esquinas de uno de los lados cortos, con los dedos índice y pulgar de cada mano. (Ojo con los datos, eh! , que para eso se especifican con todo detalle). Ahora sujete la hoja 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 permita 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 gravedad. Es el flujo de aire el que causa esta fuerza de sustentación, sin embargo, la fuerza está actuando de manera perpendicular a la dirección del flujo de aire. ësta es la fuerza que mantiene a los aviones en el aire. También es la fuerza que empuja a los coches de carreras contra el suelo".

Pues nada, ya sabéis, ¡a probar ! De momento... ¿qué tal si lo dejo con el experimento???

[Relente de Luna]

Me parece muy interesante el tema y me encanta la forma en la que está contado. Espero este topic tenga continuaciones.

S2

[Raquel]

Desde el principio de este tema: "¿Flipamos con el aire?", hemos estado tratando en general una serie de cuestiones teóricas que tienen que ver con el difícil dominio de un elemento que nos parace tan sutil como el aire. Quedan algunas definiciones conceptuales (como os decía al postear la última parte) de las que no nos podemos desentender por mucho que parezca que aún nos complican más las cosas haciéndolas más difíciles, si cabe. Y es que estos factores tienen una influencia crucial en todo esto. Es lo que vamos a intentar analizar en adelante... Cómo la viscosidad del aire en la Tierra "enreda" y dificulta la trayectoria del coche al atravesarlo, qué tipos de flujos caben distinguir, para qué se utilizan los números de Reynols, tridemensionalidad del flujo...

Empecemos por cómo complica la viscosidad del aire el avance de un móvil a su través:

Flujo laminar y flujo turbulento :

Un flujo de aire puede adquirir estas 2 características o propiedades que vamos a definir. Si dentro de un flujo o "vena" de aire todas las partículas se están moviendo en la misma dirección que la velocidad del aire y que las líneas del flujo, consideraremos que es un flujo LAMINAR. La representación que cabría hacernos (ya que no os puedo mostrar la figura) sería la de varias líneas paralelas en una misma dirección marcada por un vector central.
Cuando las partículas se mueven o desplazan viajando de forma errática, sin seguir caminos paralelos a la velocidad media que lleva el aire, se producen "turbulencias". De ahí que a este tipo de flujo se le designe así: TURBULENTO. Si lo representáramos de nuevo, podrían marcarse líneas más cortas y distintas, que acaben en forma de semicírculo orientado hacia diferentes direcciones o sentidos respecto al indicado en el centro -entre ellas- por un vector o flecha.

Un ejemplo fácil y cotidiano nos permite visualizar bien esta diferencia. Si encendemos un fuego (los que fumamos lo tenemos muy fácil a la hora de comprobar ), cuando el humo sube desde el combustible recién encendido, se observa cómo va ascendiendo siguiendo líneas más o menos rectas. Equivaldría, pues, a la visualización de un tipo de flujo laminar. A medida que continúa ascendiendo, el humo se va haciendo turbulento y deja de mostrar esa trayectoria de paralelas, mezclándose y retorciéndose.

Establezcamos ahora otra distinción en base a cómo fluye el aire alrededor de un cuerpo (coche).
Flujo adherido y flujo separado :
Cuando el aire circula sobre un coche siguiendo la forma de su carrocería, hablamos de "flujo ADHERIDO"; vendría representado, como en el caso anterior, por una serie de líneas paralelas que se "adaptan" a la forma que presente el vehículo. Cuando el aire se despega de la forma externa del móvil que lo atraviesa, lo llamamos "flujo SEPARADO". Imaginemos el perfil normal de un coche o automóvil de "calle". Circundando su figura trazaríamos una serie de líneas que, partiendo en paralelo desde ese foco o "vena" de aire, se van adaptando a la representación de esa forma sobre la que fluyen. En el gráfico marcaríamos con líneas de turbulencia el ángulo que describe el comienzo de la luneta o cristal delantero, el fondo o los bajos del coche y la zaga o parte trasera, incidiendo, de nuevo, en el ángulo que forma el final del vehículo en el maletero (en caso de estar situado aquí, como ocurre generalmente en los coches de hoy en día). Estas zonas de turbulencia señalarían la corriente de flujo que se desplaza de la trayectoria formal del móvil. No sé si me entendéis muy bien... es difícil describir así la representación gráfica, lo siento.

¿Cómo se comporta el aire moviéndose a lo largo de un cuerpo que lo atraviesa al avanzar? ¿Qué ocurre con estas propiedades de los flujos que acabamos de distinguir?

Lo 1º que debemos tener en cuenta para poderlo entender es que el aire es un "fluido viscoso" en la Tierra y esta propiedad complica el modo en que se desplaza sobre un cuerpo. No sería lo mismo si el aire tuviera las propiedades de un gas "ideal".Esto significa que se produce una adherencia de las moléculas de aire que frena se movimiento, una resistencia al fluir análoga a la fricción mecánica. Al moverse un cuerpo a través de él, el aire crea un rozamiento interno en sus proximidades, pero cabe diferenciar niveles o capas en las que el rozamiento se da con mayor o menor intensidad. Lógicamente, las zonas más próximas a este contacto del aire con el cuerpo (capas contiguas o adyacentes a su superficie) se ven más frenadas por este efecto del rozamiento viscoso, que las capas más alejadas o menos próximas al la superficie del objeto, en las que la resistencia opuesta al movimiento por el roce del cuerpo adquiere un grado menor. Así pues, según aumenta la distancia del aire respecto a la superficie del cuerpo, el efecto del rozamiento es menor, hasta llegado un punto en que el aire ya no se ve afectado por el mismo; hablaríamos en este caso de lo que se conoce como velocidad del aire del "flujo principal". En términos simples, sería la capa que corresponde al borde exterior del flujo alrededor del objeto, por eso se le denomina también "capa límite".

LLevemos este planteamiento a lo explicado anteriormente.
Cuando las diferencias de velocidad del aire de las subcapas entre la capa límite son pequeñas, se produce un deslizamiento de unas sobre otras con excasa interacción entre ellas, dando lugar a una capa límite laminar. Pero... ¿qué hace "nuestro móvil" al atravesar un flujo? Pues molestarlo y "entorpecerlo" . Podría ser el caso de una curvatura en la superficie de este cuerpo: en la capa límite se propuce una turbulencia, pasando entonces de ser "laminar" a "turbulenta". Otro efecto generado por esta incidencia de perturbación es que la capa límite, además, aumenta su grosor a lo largo de la superficie del cuerpo. Si cogiéramos el ejemplo del coche que antes os intentaba describir gráficamente, diríamos que en su parte delantera la capa de aire presentaría las características de ser laminar y delgada, mientras que en la parte trasera del turismo se volvería turbulenta y más gruesa, como consecuencia de las distorsiones que causa el vehículo al atravesar el flujo de aire.
El mismo ejemplo o representación valdría para el caso de una forma de "ala", dado que, de hecho, los turismos modernos presentan esta estructura simple formal de ala. En el borde de ataque del ala comprobaríamos esa capa delgada y laminar de la vena o flujo de aire y, en el borde de fuga o salida, la zona de turbulencia aumentando su grosor, puesto que el aire se ha separado de la superficie.

Todo esto nos lleva a pensar que una capa laminar crea propiamente una superficie de rozamiento menor que una capa turbulenta, generando, a su vez, menos resistencia. Sin embargo, cuando hablamos del aire nada es tan fácil ... porque también podría ser que la capa límite turbulenta, en algunas circunstancias, retrasase esa embestida de separación del flujo o, incluso, llegara a causar la unión de un flujo separado. Estos efectos pueden comportar un beneficio debido a la creación de carga aerodinámica y reducción de resistencia. De ahí que la conclusión no sea tan básica como establecer que una condición laminar del aire es la meta u objetivo más importante a pretender. En ciertas circunstancias resulta beneficiosa, pero también, por ejemplo, los "generadores de vórtices" -movimiento rotatorio de una parcela de aire- en la superficie de un ala pueden servir para dar más energía a una capa límite y evitar la separación. Se supone que todas estas complejidades se analizan en el estudio de los variopintos elementos que constituyen la configuración de un monoplaza.

¿Nos atrevemos ahora con los números de Reynols?
Pues os aviso... "andemos bien calzados" porque el patinazo de neuronas para comprenderlo es de órdago; al menos es lo que a mí me ha pasado y, sin ayuda o colaboración explicativa del concepto, me veía incapaz de entender mínimamente las cuestiones que en este libro se plantean "demasiado a groso modo".

De entrada, el aurtor ya nos advierte "que es una de las ideas más raras de entender dentro de la aerodinámica". Una ya se asusta, claro. ¿Y por qué es así? Qué tal si os digo que se trata de un concepto "adimensional". "¿Y qué es esto?" -podríais preguntarme quizás algunos-. Pues desde un punto de vista filosófico (que, al fin y al cabo es lo mío ) yo os diría que se trata de algo metafísico y abstracto. Valeee... y, entonces, ¿para qué aquí? ¿Acaso es un bólido F1 "un ente esencial" más allá de lo físico material? Nooooo... ¡claro! Anda que no tenemos experiencia viva y concreta de lo que es . Pero lo que no es tan concreto y físicamente "real"/material son los parámetros comparativos que podemos llegar a establecer gracias al manejo del cálculo en virtud del Número de Reynols. No nos liemos más (es decir, no me enrollo más) y vayamos al asunto.

Vamos a partir de unos ejemplos no directamente relacionados con el concepto en sí, pero que permiten comprender de forma fácil qué podría ser eso de un "análisis adimensional" .
Hablemos, por ejemplo, de una velocidad de "300" e, inmediatamente, debemos preguntarnos: "¿esto es mucho o poco?" Hombre, pues depende; en primer lugar, de las unidades que estemos manejando y, en segundo lugar, de lo que estemos hablando. Para un coche, 300 km/h es mucho. Para un avión 300 millas por hora estaría bien. Y, en cualquier caso, 300 km/seg ya diríamos que es una burrada de velocidad (¿o no?). Así pues, para poder analizar, lo primero es determinar de qué tipo de unidades estamos hablando.
Después se trata de comparar. Si lo que se pretende es aprender, adquirir nuevos conocimientos, debemos observar lo que tenemos frente nosotros (datos disponibles), comparar, sintetizar, inferir... En fin, todas estas operaciones que requieren la "inteligencia" de algo para sacar provecho en el uso. Volvamos a un nuevo ejemplo muy fácil: el dato en sí sobre la potencia de un motor no nos dice nada clarificatorio de veras sobre su uso, pero si lo dividimos por el peso del vehículo, ya tenemos un poco más de información. Avancemos un poco más: volvemos a dividir el peso del motor entre el peso del vehículo y ya obtendremos un parámetro adimensional, es decir, una cantidad sin dimensión. Está claro que se trata de un concepto abstracto y, en ese sentido, planteaba yo el calificativo de metafísico. Pero en función de este tipo de parámetros podríamos obtener mucha información concreta en variadas circunstancias manejando una serie de datos comparativos. Tomar referencias y compararlas.

En mente esta explicación más fácil de lo que vendría a resultar un análisis adimensional, quizás sea posible acercarnos a un concepto más clarificador, para nosotros, de la utilidad e importante funcionalidad que presenta el Número de Reynols en el terreno de la aerodinámica.
Ya no queda más remedio que plantarle cara a la fórmula matemática:

Re (Reynols) = la densidad del aire por una velocidad y para alguna longitud determinada, dividido entre el coeficiente de viscosidad

Utilizando unidades métricas la ecuación se formularía así: Re = 67,778 x vL, con v en m/seg y L en metros.
La longitud equivaldría a la dimensión de la cuerda de un ala (concepto que ya definimos al principio) o, en nuestro caso, la longitud de un coche.

Bien, pues el Número de Reynols es un método que hace posible comparar datos obtenidos a diferentes velocidades y diferentes escalas. Y esto, dentro del planteamiento de desarrollo de la investigación aerodinámica, resulta crucial y decisivo, como veremos ahora. Al despejar las unidades de densidad, velocidad, longitud y viscosidad de la ecuación, se anulan y dan como resultado un número. Por ello el Número de Reynols es otra cantidad sin dimensión.

Transcribiré textualmente el ejemplo que se da en el libro para ver cómo se opera con estos datos:

"Tomemos, como ejemplo, un coche de pasajeros de tamaño medio de 4,5 m de longitud viajando a 25 m/seg, entonces el Número de Reynols da como resultado 7,6 millones, ó 7,6 x 10 elevado a 6, en modo científico. ¿Y qué? Bien, considere el caso como el de un modelo a escala 1/4. A la misma velocidad, el Número de Reynols será un cuarto de valor de la escala real, ó 1,9 millones (1,9 x 10 elevado a 6). Ahora, si el túnel de viento utilizado para estas pruebas sólo fuera capaz de producir velocidades de , por ejemplo, 10 m/seg, entonces el Número de Reynols caería hasta 760. 000 ó 7,6 x 10 elevado a 5. Puede ser posible que los resultados obtenidos a esta escala y esta velocidad no puedan ser aplicables al modelo real, a la velocidad real, porque los efectos de la viscosidad y densidad hacen que los patrones de flujo sean diferentes. Recuerde que la capa límitecomienza siendo bastante estrecha y laminar en la parte delantera de un cuerpo móvil, pero según pasa por el cuerpo se vuelve más gruesa y bastante más turbulenta. Por eso, no resulta muy difícil ver que, en un modelo a escala, la transición de la capa límite fina y laminar a gruesa y turbulenta seguramente ocurrirá más atrás, hablando relativamente, que en el cuerpo de tamaño real.
Por esto, el Número de Reynols resulta un modo conveniente de indicar la escala y velocidad a la que se obtuvieron los datos, siempre y cuando se interpreten en su contexto y se comparen con otros datos obtenidos con escalas y velocidades similares. Pero el Número de Reynols también puede usarse como indicador de si un flujo será laminar o turbulento, ya que, en general, el flujo se vuelve más turbulento con el aumento de la velocidad, además de con el aumento de la longitud (L) del cuerpo. De este modo, un Número de Reynols alto puede indicar que el flujo es turbulento".

Bien, si volvemos a nuestros ejemplos más simples -o llevados a un modo de explicación más fácil de asimilar- podríamos describir una "extraña" comparación. Pensemos por un momento la viscosidad del aire bajo una analogía: la miel. ¿Cómo podríamos comparar una bala que se mueve en miel caliente con un F1 que se mueve en el aire? No, no estoy flipando , ahora veréis... Pues lo podríamos comparar por el Número de Reynols. Mejor aún: ¿Cómo podemos comparar un F1 en un túnel de viento caliente con un coche en carrera en un invierno gélido? ¿Posible? Pues sí. Con el Número de Reynols. Como en el túnel resulta muy caro variar la densidad del aire (se podría hacer, pero... ), pues se tienen que igualar los números de Reynols. Y esto se haría variando la velocidad o la longitud característica de ambas. Así, un aire caliente con un coche un poco más grande y más rápido en la Tierra es lo mismo que un aire frío con un coche más pequeño y más lento en Marte. Pero cualquier comparación llevada a cabo se hace buscando siempre la igualdad de Números de Reynols.
Además de para comparar, también se puede utilizar para clasificar; para una misma velocidad y aire, cuanto más grande es el vehículo -como acabamos de citar en el ejemplo del autor- más turbulencia. La mejor imagen que podríamos hacernos para visualizar este caso sería, por ejemplo, la turbulencia que generaría un camión viajando a 250 km/h.

Lo que cabe concluir tras todo este análisis es, pues, que el Número de Reynols tiene en verdad una utilidad muy importante.

Faltarían por defirnir en este apartado un par de conceptos más: la tridemensionalidad del flujo de aire y gradientes de presión, pero mejor lo dejamos para una siguiente explicación.

Es viernes por la tarde y lo que toca decir y desearos a todos es... que paséis un fantástico fin de semana

[PHILIP]

Primero, Raquel, tendrías que haber empezado por explicar cómo el señor Reynolds (que nada tiene que ver con el papel de plata ) encontró el dicho número; si no tienes esa información, yo puedo explicarlo gustosamente y con todo detalle.

Y segundo:

quote:

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Re (Reynols) = la densidad del aire por una velocidad y para alguna longitud determinada, dividido entre el coeficiente de viscosidad

Utilizando unidades métricas la ecuación se formularía así: Re = 67,778 x vL, con v en m/seg y L en metros.

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Hay errores que seguramente hayan sido de transcripción, ya que en los ejemplos que pones está bien aplicada la formula;

-la densidad que se aplica a la formula de Reynolds no se refiere al "aire". En todo caso al fluido que sirve de medio. Claro está que el aire es un fluido, pero el agua también lo es.

-el numero 67777,77 (y no 67,778) se obtiene del producto entre la densidad del aire (1.22Kg/m3) y la viscosidad de dicho fluido (1.8e-5 Ns/m2), que aplicas perfectamente en la ecuación. Creo que era interesante comentarlo.

Por lo demás, perfecto. Sigue, a ver si te vas a creer que nadie lo lee.

[Relente de Luna]

Eso eso, por supuesto que estamos pendientes

[Raquel]

Philip: yo no sé cómo el Sr. Reynols dio con ese numerito mágico que vale pa tooooo... parace La Piedra Filosofal . Por lo tanto, me encantaría que lo explicaras con todo lujo de detalles, ya que te has ofrecido gustoso. Soy toda oídos... (u ojos, claro!)

Por lo que respecta a la corrección que me planteas de la fórmula matemática, pues no sé qué decirte... Creo que volvemos a estar en un caso parecido al que advirtió Relente de Luna. Según el dato que acabo de corroborar, no hay errata de transcripción por mi parte. En el libro se da ese valor numérico... Si tú conoces o tienes datos de la fórmula correcta, te agradecería que la añadieras, por favor, para poder subsanar cualquier posible error.

Y muchas gracias, cómo no por tomarte la molestia...

Relente de Luna: Mil gracias por tu interés y por el ánimo.

Pues seguiremos adelante...

[PHILIP]

Te lo reconfirmo Raquel: la fórmula correcta és la que he puesto yo, aunque raramente se pone ese 67777,77; simplemente se deja en forma genérica:

Re= p x V x L / (mu)

Donde:
Re: numero de Reynolds (no dimensional)
p: (rho) densidad del fluido (kg/m3)
V: Velocidad (m/sec)
L: Longitud característica (m)

Donde:

para el aire a 20º y 1atm:
p=1.22 kg/m3
mu=1.8e-5 Nsec/m2

para el agua a 20º y 1atm:
p=1000 kg/m3
mu=1.0e-3 Nsec/m2

aceite lubricante de motor (SAE 30):
p=919 kg/m3
mu=4.0e-1 Nsec/m2

El número ese de 67777,7 sale de dividir la densidad del aire (1.22) por la viscosidad (1.8e-5). Compruébalo tu misma si quieres. En todo caso revisa el libro, no vaya ha ser que pongan puntos a los miles, cosa totalmente nefasta para a estas alturas...

Respecto al experiemento de Reynolds lo explicaré con mucho gusto, y todo detalle, ya que yo mismo experimenté con ese montaje, que por otra parte, es bastante sencillo. Pero lo dejamos para mañana.

[Raquel]

Pues qué decirte, Philip, más que muchísimas gracias por aportar esos datos concretos y bien determinados de la fórmula matemática del Reynols
En "mi libro" no se dice más que lo que yo indicaba en referencia a esto. Por eso os decía desde el principio que se le daba un tratamiento al tema "demasiado a groso modo". Es decir, que lo lees y te quedas... casi igual que antes de haberlo leído .
Para una mente "no ingenieril" como la mía muchos puntos me desbordan por completo.

Muchas gracias y buenas noches
"Prometido es deuda", así que espero con ansia que cuentes de dónde salió tanto cálculo y el "Eurekaaaaa..." de Reynols. (Es broma, eh! , sólo cuando buenamente puedas...)

[Raquel]

Tridimensionalidad del flujo

Una de las dificultades más importantes a la que nos enfrentamos a la hora de resolver o determinar qué está pasando con el aire que se mueve alrededor de un coche es que tratamos con un elemento, en principio, "invisible" para nosotros, lo cual hace necesario utilizar algún método que nos permita vislumbrar de alguna manera la dirección en la que está fluyendo y su estado (trubulento, suavizado...). Ahora hablaremos de ello, pero antes debemos enfrentarnos también a una forma de pensar tridimensionalmente , puesto que un coche es un cuerpo tridimensional y el aire fluirá a través de él en las tres dimensiones del objeto. Así que por mucho que, al igual que al didujar, nos resulte más fácil pensar sólo desde puntos de vista de elevación lateral o vista de plano, tendremos que intentar ser más astutos y usar las 3 dimensiones e imaginarlo desde todos los ángulos.
Lógicamente, los diseñadores tienen al alcance de sus manos un software capaz de crear figuraciones o representaciones (bien sean del coche por completo o de elementos componentes) en 3 dimensiones y de generar flujo de aire alrededor de los mismos mostrando esas 3 dimensiones. Los que domináis este técnica "virtual" del dibujo en 3D estoy segura que podríais explicar mucho al respecto, como se vio también en el topic de la creación y desarrollo del FP-01. A mí no sólo me da mucha envidia, sino que me maravilla la de cosas que se pueden hacer .

Y quizás estéis pensando... "Bueno, Raquel, ojito, que nosotros no tenemos esos superordenadores y artilugios tan potentes como los de Sun Technology, patrocinadores de McLaren". ¡Ya imagino! Pues aún es más de valorar...
Estuve buscando en esa web alguna imagen de un test aerodinámico virtual para poderla poner aquí como modelo, pero la única foto que encontré tampoco es que valga mucho la pena. De todos modos estoy convencida de que todos hemos visto imágnes de ese tipo y nos hacemos idea.

Ahora bien, a pesar de no tener esas carísimas sofisticaciones, sí podemos visualizar el flujo de aire de alguna forma sin el amparo de un megaordenador o un túnel de viento. Vamos a ello Hagámosle trampitas al aire para que se nos deje ver...

Por ejemplo, a pesar de las horas intempestivas y del cansancio llevado a rastras durante el larguísimo finde. de GP, yo intentaba en la carrera esta mañana aguzar la vista a ver si "pescaba" por un casual un vórtice visible por la tele. ¿Que por qué? Bueno, en primer lugar, me hubiera encantado ser capaz de distinguirlo , pero, además, porque en Malasia hay un elevadísimo nivel de humedad y, pues quién sabe... lo mismo va y "se presenta" el vórtice.
Aclaro el porqué.
En "mi libro" se dice que en ocasiones es posible ver los movimientos del flujo alrededor de los coches desde la pista e, incluso, desde la televisón (¿lo veis?). Y que en días especialmente húmedos nuestros fantásticos bólidos pueden generar vórtices visibles en el alerón trasero. Claro está que esos vórtices de aire acompañan siempre al coche en movimiento, lo curioso es que ciertas condiciones atmosféricas de humedad producen que la baja presión del núcleo del vórtice haga que se condense el vapor de agua y se vuelva visible temporalmente. El autor afirma que "en condiciones mojadas, los extraordinariamente fuertes vórtices pueden verse en forma de altas colas de rocío". A mí se me han escapao si las ha habido .
Otro caso en el que estaba yo como una lechuza, pero nada. Atended: "pueden verse los vórtices cuando el motor de un coche explota y se forma una enorme nube de humo. (qué malos recuerdos me trae esto de la "season 2004"). La pérdida del propietario del motor es nuestra ganancia, ya que el humo se mete en los patrones circulares creados por el coche, y más que ver solamente el núcleo de los vórtices, lo que vemos es todo el flujo rotando durante un instante". La verdad, cuando ha empezado a echar humo el motor honda yo me he pegado a la pantalla -literal- para poder apreciar si conseguía ver el efecto (no por maldad y regodearme en ello, por supuesto). Pero tampoco lo he conseguido o, quizás, sabido distinguir. Si alguien ha sido más audaz, que me lo confirme, por favor. Una de dos: o no entiendo nada de lo que hablo -que bien podría ser- o necesito oculista con urgencia -por mucho que me niegue a reconocerlo -.

Otras "pequeñas cosas" podrían hacer también esa visualización momentánea de aspectos del flujo, como el polvo, restos de elementos "volátiles" ( ), hojas... Sin embargo, para comprender de un modo serio y estudiar qué hace el aire se requieren otros métodos más controlados.
Visualizar el flujo de aire es una técnica que hace posible comprobar el resultado de los cambios o variaciones que se han realizado sobre algún elemento del coche. Ver las "trastadas" del aire en las zonas más importantes de la aerodinámica del coche: alerores, difusores, sistemas de refrigeración... puede ayudar mucho a comprender lo que está pasando y ser útil para introducir las mejoras aerodinámicas requeridas.
Pongamos por caso pruebas de control en el túnel de viento. Se aumenta gradualmente el ángulo del alerón. Esto podría incentivar mejoras hasta un punto en que sucede lo contrario: empiezan a disminuir. Ello implica reconocer o asumir que el alerón ha entrado en pérdida. Sin embargo puede darse la circunstancia de que sólo una parte del alerón sea la que haya empezado a entrar en pérdida, en tal caso, se puede modificar la envergadura del alerón para que el flujo a lo largo del mismo siga fijado durante más tiempo, lo que comportaría producir mayor carga aerodinámica antes de que se dé o tenga lugar la pérdida.

Expliquemos ahora un poco cuál es uno de los métodos más utilizados para observar los patrones del flujo de aire cerca de la superficie del coche. Es el método de "los hilos de lana" . ¡Qué flipe! , alucinante de los que se entera una... Y luego a mí me daba vergüenza decir que yo empleaba "experimentos marujiles" para poder sentir cómo recorre el aire una superficie como mi propia mano intentando darle forma de "coche" (un secador de pelo). Por no decir algo aún más marujil: los experimentos removiendo aceite en una cazuela con una cuchara de madera para entender mejor la viscosidad de un fluido y los dichosos números de Reynolds.
Volvamos a las lanas o me voy de pista . Consiste en lo siguiente: "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 coche que rueda al lado, asumiendo que la pista permita estas libertades. Sin embargo, se debe tener cuidado para asegurarse de que el 2º coche no se sitúa tan cerca del otro que interfiera en el flujo de aire. Las imágenes que se obtinen con esta prueba suelen ser sorprendentes, y el flujo alrededor del coche suele ser bastante diferente a lo que uno espera. Por ejemplo, el flujo que psa por el alerón delantero de un monoplaza puede verse muy poco uniforme, especialmente si la envergadura del alerón se extiende por delante de las ruedas delanteras. De manera similar, el flujo sobre el capó de un coche de pasajeros puede ser algo realmente complejo."

No sé cómo describiros una foto hecha desde un costado de la pista en la que aparece un coche "rematadito" con hilos de lana, la verdad. En realidad, más que "rematadito", debería decir: "bordado". Es una "fotillo" así como muy antigua -en blanco y nego- y de excasa definición la que aparece en el libro; intento algo: imaginad el costado o perfil de un monoplaza. Resulta que si centras un poco más la mirada, le ves como si le hubieran puesto unas grapas sobre la chapa, aunque un bastante más grandes de un tamaño normal. Entonces te preguntas: "¿qué pasa aquí?" Y te acercas más a mirar... Hay unas hileras de 3 de ellas en vertical, en lo que es el lateral de la longitud del costado entre rueda y rueda (delantera-trasera). Y unos 4 grupos de estas 3 en vertical a distancias más o menos regulares. En la zona donde empieza a elevarse el volumen del perfil del morro y cédula o habitáculo del piloto, sucede lo mismo: los hilos de lana están agrupados de esa forma, más o menos. Bien, ¿y qué sacamos de la foto o, hablando con propiedad, qué saco "yo" al observala? Ciertamente poco, supongo que debido a la calidad de la imagen. Sí se puede "casi" apreciar que los hilos muestran una apariencia irregular en las direcciones con que quedan "fijos" en una instántanea. Hay distintas direcciones hacia las que se orienta el cabo del hilo sobre esa superficie de coche. ¿Tenéis en mente una grapa, la foma normal? Pues haceos a la idea de que es como si hubiéramos colocado grapas un poco torcidas, en lugar de mantener "formas paralelas" ___
___
___ más o menos así; perdón, intento ser gráfica...

También pueden verse algunos de estos hilos en la deriva del alerón delantero y varios (en más cantidad, en proporción a los costados del pontón-motor) en el costado de deriva del alerón trasero.

Sigo un poco más: " Los hilos de lana pueden mostrarnos la dirección del flujo cerca de las partes más importantes, como los bordes de ataque de los alerones traseros, las entradas de aire del sistema de refrigeración o los conductos NACA que llevan el aire hasta los radiadores de aceite. También es posible ver si el flujo es turbulento o, por el contrario, fluye suavemente. Al mirar el coche en movimiento, se verá que alguno de los hilos se echan hacia atrás en la dirección del flujo, mientras que otros se mueven hacia todas partes de manera salvaje". That´s the problem!! Claro, como que en la fotillo no se ve "la brutalidad" con que domina el aire a los hilos... Le falta animación . Habrá que ponerle más capacidad para fantasear con esa imagen que nos deja la edición del libro.
"En las fotografías, los hilos de las regiones uniformes se verán tal como son, mientras que aquellos que se mueven en todas direcciones se verán probablemente borrosos (UF!, qué suerte, pensaba que el problema era mi agudez de visión...), siempre que el obturador de la cámara no sea demasiado rápido (quizás no más rápido de 1/60 seg.). Claramente éstos son indicadores de un flujo separado y muy turbulento, puede ser deseable hacer o no algo al respecto, pero por lo menos se sabe que está ahí".
¿Recordáis que ya dijimos algo precisamente a este respecto?, ¿que puede ser o no conveniente bajo ciertas condiciones ese flujo turbulento?

No soy adivina, pero imagino más de una mente curiosa jugando "como niños" y maquinando llevar experiementos de este tipo ("hilos de lana") en casa y en condiciones a escala, urtilizando fuentes alternativas de chorros o flujo de aire dirigido al cochecito-maqueta en "parado", no movimiento. Pues siento defraudaros, pero va a ser que no es lo mismo, ni mucho menos...
¿Os lo explico? Pues va a ser que no tampoco. Me lo guardo el secretillo para una próxima charla.

Eso sí, yo no os dejo sin mi "buenas noches" y el deseo de que hayáis podido gozar de verdad de este 2º fin de semana de GP.

[Raquel]

Buenooooo... ahora sí que vamos a poder ver "vórtices".
No son por turbulencias del flujo de aire en el alerón trasero de un F1, pero nos servirán para comprenderlo mejor, creo. Al menos a mí me han ayudado bastante. Espero que pase igual con vosotros.

Os dejo el enlace. Quizás ya hayáis visto fotos así, pero por si acaso.

Y le envío un gracias desde aquí a mi amigo "el ingeniero aeronáutico" (perdonadme, quizás no está bien que lo haga...). Ya que nos lee y nos sigue con interés, como acaba de demostrarme al mandarme las imágenes, creo que es lo mínimo que se merece por "sus aportaciones en silencio" .

http://www.engineering.uiowa.edu/~cfd/gallery/vortex.html

[PHILIP]

Me dá una pereza enorme pero "lo prometido es deuda":

EXPERIMENTO DE REYNOLDS

Raquel nos ha hablado sobre el número de Reynolds pero no de todo; la determinación del numero de Reynolds se efectua mediante un montaje sencillo que se compone de:

-Un tubo capilar (estrecho, vamos).
-Un depósito con cañería relativamente estrecha (unos 6cm de diametro).
-tinta china.
-Agua
-un grifo

Para determinar el significado de la formula adimensional, Reynolds llevó a cabo sus experimentos sobre un flujo de agua a través de tubos de vidrio, tal como se ilustra en éste link (http://history.nasa.gov/SP-367/fig31.jpg). Un tubo de vidrio se montaba horizontalmente con uno de sus extremos en un tanque y una válvula en el extremo opuesto. Una entrada suave en forma de campana se colocaba en el extremo de aguas arriba, con un chorro de tinta puesto de tal forma que se pudiera inyectar una pequeña corriente de tinta en cualquier punto al frente de la boca de la campana. Reynolds tomó la velocidad promedio V como la velocidad característica y el diámetro del tubo D como la longitud característica, de tal manera que R=VDp/u.

Para caudales pequeños, la corriente de tinta se movía como una línea recta a lo largo de la tubería, demostrando que el flujo era laminar. A medida que el caudal aumentaba, el número de Reynolds se incrementaba, debido a que D, p y u eran constantes y V era directamente proporcional al caudal. Al aumentar el caudal, se alcanzaba una condicion en la cual la corriente de tinta ondeaba y luego súbitamente se rompía y se difundía o dispersaba por el tubo. El flujo había cambiado a turbulento (pasando por la fase transitoria) con su intercambio violento de momentum, lo que había afectado completamente el movimiento ordenado del flujo laminar. Manejando cuidadosamente el aparato, Reynolds obtuboun valor de R=12000 antes de que se estableciera la turbulencia. Luego se determinó que el valor exacto era 40000, permitiendo que el agua permaneciera en el tanque algunos días antes de iniciarse el experimento y tomando precauciones para evitar vibraciones en el agua o en el equipo.

Algunas ilustraciones mas:
http://www.eng.fsu.edu/ME_senior_design/20...ges/Image09.jpg
http://www.eng.man.ac.uk/historic/reynolds/orey1904.jpg


Espero que haya quedado claro.

[Raquel]

Muchas gracias, Philip.
Hombre!, no te voy a decir que "me ha quedado clarísimo", porque te mentiría. Pero sin duda sí me hago a la idea de la razón del experimento, el cálculo tal como se llevó a cabo y el comportamiento de ese flujo de agua.
A mi nivel, voy que chuto!!

PD: "La pereza" sólo merece un trato: decirle "¡fuera!" Un consejito que te doy

[PHILIP]

Las ilustraciones son claras y la explicación satisfactoria. Si no lo entiendes suficiente, no te esfuerces en exceso; demasiado estas haciendo ya para comprender algo tan sumamente "rebuscado".

[Raquel]

[Michelin]

Aun no lo he leido todo... paseava yo por aqui i me he encontrado todo esto , para leer , he preferido dosificarlo un poco.

Gracias raquel , hace tiempo que queria ver algo medianamente completo i desde el principio de aerodinamica. Yo ya hice un trabajo de instituto sobre este tema (52 paginas... muchas horas de internet i lecturas a veces ciertamente espesas) i he de decir que los dos primeros capitulos ya los tenia aunque lo de la hoja ... no se me havia ocurrido (ni lo havia leido por ahi).

bueno , seguire leyendo... i en mi justa incultura ... opinando.

[Michelin]

Ah! no sabia que la formulita la saco Euler. Este hombre esta en todos los sitios... si hay que sacar una formula , ahi va el!!! jajaja.

[Raquel]

Gracias a ti Michelin!!

quote:

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i en mi justa incultura ... opinando.

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Yo espero que opines mucho... ¿pero tú te has dado cuenta de mi "incultura ingenieril" ??? Creo que lo mejor es que como ya parto de esa absoluta falta de base en el dominio de la materia no me da ningún miedo equivocarme y meter la pata. No siento ningún ridículo ni tengo por qué sentirlo: esto no es lo mío, simplemente intento enfrentarme a ello porque me intersa mucho, me gusta y me llena de curiosidad. En 2 palabras: quiero aprender (lo que pueda, claro!).
Y, a pesar de que hay puntos que se nme hacen muy muy pesados, espesos, etc... y de verdad tienes ganas de cerrar el libro y pasar del asunto, en cuanto te pones a ello de lleno diciendo: "a mí el aire no me manda" , acabo disfrutando como una loca... Mira, qué le vamos a hacer, cada uno tiene sus gustos y todos son respetables.