Las Notas de Jero, Un lujo a nuestro alcance... Opciones

[Jero]

Duda que me surge... ¿Ese año solo corrió McLaren con el monocasco de fibra de carbono?

Lo digo, por si fue un pucherazo para la época, al estilo Brawn.

Mil gracias por el Hilo Jero.

McLaren tuvo el coche listo ya pasado el ecuador de la temporada.
Por otro lado, Lotus y Colin Chapman estaban desarrollando el suyo. En el 1982 ya estaban McLaren y Lotus usando chasis en PRFC, y no tardaron mucho tiempo en sumarse los demás. La diferencia con el McLaren era que Lotus, y luego Brabham y otros, usar�an refuerzos en aluminio además de la fibra de carbono. La tecnología evolucionaría hacía el uso de los paneles de composite y eliminar esos refuerzos de aluminio, para aligerar.

[Jero]

Buenos días y buen domingo.

Hoy voy a hablar de lo que se conoce como "crashworthiness", que no es más que el estudio de las estructuras y la medición de la capacidad de protección de su contenido. En el caso de los automóviles, y sobretodo en competición, esto es primordial para garantizar la supervivencia de los ocupantes del vehículo.

Para empezar, debes conocer bien que es un ensayo a tracción y que es la resiliencia. Comienzo por tracción, que no es más que el esfuerzo al que se somete un material, mediante la aplicación de dos fuerzas en la misma dirección pero de sentidos opuestos.



Esto hará que la pieza, o estructura, sufra una elongación que será directamente proporcional a la fuerza aplicada, hasta llegar al límite elástico del material. Entonces el material comenzará a sufrir deformaciones plásticas, las cuáles son en parte permanentes y en parte elásticas (recuperables). Bueno, con un gráfico esfuerzo-deformación lo verás mejor. El límite elástico marcará el punto desde el cuál la pieza sufre deformaciones permanentes. La rotura se considera cuando llegue al punto D, ya que no se habrá producido aún fractura pero ese material es irrecuperable.
La zona de fluencia es aquella en la que el esfuerzo puede aumentar mínimamente, pero la deformación aumetna de manera exponencial. La zona de C a D se denomina de endurecimiento por deformación, porque el material empieza a acumular muchas tensiones internas y se necesita mucha más fuerza para obtener una pequeña deformación.



Para calcular la resistencia a tracción, se realiza mediante un ensayo homónimo. Una máquina elongará una probeta y se medirán su deformación y los esfuerzos aplicados. Las probetas son de este tipo, y pueden ser de PRFC como estas que te enseño, o de cualquier otro material (incluídos materiales metálicos como acero, aluminio, etc).



Ahora toca aprender, o repasar, el concepto de resiliencia. La resiliencia, en resistencia de materiales, es una propiedad de los materiales que nos indica la cantidad de trabajo externo que es capaz de absorber, mediante deformación y antes de fracturarse.
Este concepto es un poco más complicado, pero si te digo que lances una piedra contra un cristal y contra un tablón grande de madera, y te pregunto cuál se romperá antes... seguramente me contestes que el cristal. Pues ya entiendes un poco mejor que es la resiliencia, la cuál se puede decir que es la capacidad de absorción de impactos (a groso modo y siendo inexacto).
El ensayo para calcular la resiliencia se denomina "ensayo Charpy", y se usa una máquina conocida como péndulo Charpy. Esta, que te enseño en el esquema, consiste en un péndulo con una masa determinada (suele ser superior a 27 kg.) y se bloquea en un ángulo determinado (depende de la velocidad que quieras obtener). La probeta (con unas medidas estandarizadas), se coloca en un soporte que se encuentra paralelo al suelo, así el péndulo la golpeará en perpendicular, fracturará la probeta y se mide el ángulo que alcanza en el otro lado. La diferencia de ángulos nos indica la energía absorbida por la probeta.



Toda vez que conoces estos conceptos, ya conoces mejor que es el crashworthiness. También te digo que se hacen ensayos a compresión, siendo muy parejos a los de tracción pero comprimiendo la pieza hasta romperla. Decirte que la resistencia a tracción suele ser superior a la de compresión, salvo en materiales cerámicos que suele ser al contrario.
Aquí expongo un par de ejemplos de ensayos a compresión:




En el segundo ejemplo, observarás dos comportamientos diferentes del PRFC (CFRP), y es que la colocación de las fibras de refuerzo (su dirección en el material) es muy importante. El caso casi isotrópico (es imposible la isotropía al 100%) se comporta mucho mejor que el caso en que las fibras están alineadas. El material metálico suele ser muy isotrópico y por eso se comporta de manera más homogénea.

Y, por último, un ejemplo de ensayo a tracción con dos tipos de PRFC. Uno en el que la matríz no está curada del todo (cocida al completo), y otra en el que la matríz si lo está.



La diferencia es palpable, en el primer caso los esfuerzos no se han transmitido correctamente y la rotura es muy irregular, y las fibras están dispersas. En el segundo es mucho más homogénea, aunque también es una rotura frágil y este tipo de roturas no suelen avisar. Este último caso es el que suele ocurrir con elementos de los F1 como alerones, brazos de suspensión, y demás aditamentos que se rompen de manera frágil (aunque su límite elástico es elevadísimo).

Por último, añadir que es necesario comprender bien esto para poder realizar los ensayos conocidos como "crash test". Lo más importante en ingeniería es que las condiciones iniciales (o de contorno) del ensayo sean lo más fidedignas posibles a lo que pueda pasar en la realidad. Así, los datos obtenidos son relevantes y extrapolables.
Bien, espero que te haya gustado este post... al menos casi tanto como a mí escribirlo. Y pregunta cualquier duda que te surja.

[tenista]

Impresionante Jero.

Ya que has mencionado los "crash test", si me gustaría peguntarte si cabe la posibilidad de que nos hables de ellos. De como se hace en un F1.


Muchas Gracias.

[Jero]

Impresionante Jero.

Ya que has mencionado los "crash test", si me gustaría peguntarte si cabe la posibilidad de que nos hables de ellos. De como se hace en un F1.


Muchas Gracias.

Por supuesto, otro día que tenga tiempo explicaré un poquito en que consisten. De hecho, las condiciones para crash test de la FIA son públicas. Y luego hay varios organismos independientes que los realizan también.

[Jero]

Buenas tardes

A colación del anterior post, con los principales test que se realizan a materiales para comprobar que son adecuados para el uso que se les va a dar, comento un poco sobre los crash test de la FIA para la Formula 1.

Son muchos y variados, así que hablaré de los principales.

Para empezar, lo que dice la normativa técnica sobre los test de impacto dinámicos (crash test):





Lo principal, los crash test que homologa la FIA (no los realiza directamente, sino que un delegado técnico viaja a las instalaciones) deben realizarse con una serie de premisas que la propia FIA exige. Hay centros, como el Cranfield Impact Centre, Universidades varias, organismo independientes, que realizan crash test homologados para los equipos de F1 y demás equipos de competición del automovilismo deportivo.

En este caso no se habla, como en crash test convencionales, de velocidades de impacto. En F1 se mide la desaceleración sufrida por la estructura de impacto, o elemento a probar. ¿Por qué? Porque es muy importante saber que cantidad de energía es capaz de absorber una estructura de impacto, debido a las altísimas velocidades a las que impactan los F1.

Como leerás, se trata de no superar unos picos de desaceleración (medidos en g de aceleración), en la zona que debe quedar intacta (en el caso de F1 sería la célula de supervivencia). Esto indicará que la estructura absorbe bien la energía considerada.

Adicionalmente la estructura dónde se ancla el elemento a probar, debe tener también unas medidas concretas, peso determinado, forma, material de construcción, etc. Esto para evitar que esa estructura de sujección pueda alterar los resultados de los test de impacto dinámicos.

En este test se prueba la "nariz" de un monoplaza de la Formula Student (con requerimientos parecidos a los de la F1). Los soportes dónde va anclado, deben quedar intactos después del impacto.
https://www.youtube.com/watch?v=JUhopbbHirA

Aquí, un vídeo dónde se ven test de impacto a la estructura de impacto trasera y a toda la estructura delantera (la nariz, parte del ala delantera y todo el morro junto a la célula de supervivencia). Se mide la desaceleración sufrida por el dummie, que debe tener un peso estipulado de 75 kg. Además, el anclaje verás que se realiza mediante eslingas, y esto es así para simular todo lo posible un impacto real (así no influye la estructura o carrito que lo lleva)
https://www.youtube.com/watch?v=guOq9cdFbJA

Más test dinámicos y simulaciones para entender mejor que ocurre. Los PRFC que se usan en estas zonas son lo más isotrópicos posible, para que no haya mal funcionamiento a la hora de absorber energía.
https://www.youtube.com/watch?v=GdDCjNpJyxY

Este test no es propio de la F1, pero el Charpy siempre es interesante para analizar como se comporta un material ante un impacto. Verás que el acero normalizado S235 tiene mayor capacidad de absorción de energía que el primer acero que prueban. Esto es porque el segundo acero es más resiliente que el primero, debido a su estructura interna.
https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo

Por último, una prueba a tracción de una probeta de PRFC. Verás que como es un material con alto límite elástico, apenas se inclina la línea que relaciona la fuerza ejercida frente a la deformación (estiramiento). Al final rompe de manera abrupta (rotura frágil) debido a esto que te comento.
https://www.youtube.com/watch?v=aH9vcV7jzG0

Espero que te sirva para comprender mejor como un material absorbe energía.

[tenista]

Impresionante Jero

No los había visto nunca y ahora entiendo porque se salva un piloto en nuestra época. Simplemente con ver los vídeos, ya transmite seguridad.


Va pregunta... por no buscarlo en San Google y pq me encanta lo que nos enseñas

En el último vídeo, aplica algo más de 16000N a la fibra de carbono cuando se rompe. ¿Podrías poner un ejemplo comparativo de esa fuerza?.


Mil gracias.

[Jero]

Impresionante Jero

No los había visto nunca y ahora entiendo porque se salva un piloto en nuestra época. Simplemente con ver los vídeos, ya transmite seguridad.


Va pregunta... por no buscarlo en San Google y pq me encanta lo que nos enseñas

En el último vídeo, aplica algo más de 16000N a la fibra de carbono cuando se rompe. ¿Podrías poner un ejemplo comparativo de esa fuerza?.


Mil gracias.

16kN de fuerza (16000 N) son 1631 kgf o kp. Un kp (kgf o kilogramo-fuerza) es una ud. antiguamente usada para medir fuerzas.

Para hacerlo más visual, imagina que ponemos la probeta (en posición igual a la del vídeo) sujeta por su parte superior al techo de una nave industrial que sea alta. Si cuelgas un coche compacto (de media unos 1300 kg. aprox.) a esa probeta, sujetará el coche sin fracturarse. Ojo, esa misma probeta que ves en el vídeo.

Esto te da una idea de la enorme capacidad que tiene el composite de fibra de carbono, el PRFC. Espero haber resuelto la duda.

[tenista]

Por supuesto.

Gracias.

[Jero]

Buenos días y buen lunes.

El próximo post, o los próximos, quiero que me propongáis el tema, o los temas, a tratar. Espero vuestras propuestas.

[tenista]

Buenos días y buen lunes.

El próximo post, o los próximos, quiero que me propongáis el tema, o los temas, a tratar. Espero vuestras propuestas.

Como me gusta...

Alerón delantero, alerón trasero, Fondo Plano, suspensiones, frenos... ¿sigo?

[tenista]

Como me gusta...

Alerón delantero, alerón trasero, Fondo Plano, suspensiones, frenos... ¿sigo?

A mi me gustaría tanto de un F1, como un LMP1

[Jero]

A mi me gustaría tanto de un F1, como un LMP1

Sobre aerodinámica de competición, hay cositas muy interesantes y que no se suelen comentar habitualmente. Así que por ahí puede haber mucho que rascar.
Sobre frenos es cierto que no es tema que se trate a menudo, así que caerá otro.

En fin, puede que este fin de semana haya algo.

[tenista]

Sobre aerodinámica de competición, hay cositas muy interesantes y que no se suelen comentar habitualmente. Así que por ahí puede haber mucho que rascar.
Sobre frenos es cierto que no es tema que se trate a menudo, así que caerá otro.

En fin, puede que este fin de semana haya algo.

Ya estas tardando

Muchas Gracias...

[Jero]

Buenas tardes.

Unas nociones básicas de aerodinámica, por si no sabes bien como funciona. Para empezar, la aerodinámica pertenece a la mecánica de fluidos y se dedica al estudio de las fuerzas a las que se somete a un sólido cuando este se mueve a través del aire. Es decir, estudia las reacciones que ofrece ese fluido (aire) cuando es atravesado por un sólido en movimiento (tanto constante como acelerado).

Bien, te enseño ejemplos gráficos de los principales parámetros que estudia la aerodinámica. Hablo en general, no me centro en competición automovilística pero si te digo que se estudia de la misma manera.

Para empezar, lo más importante es saber que es la fuerza aerodinámica, la resistencia aerodinámica y como se generan. Por partes, ¿qué es la fuerza aerodinámica? Es la fuerza ejercida por el aire debido al movimiento del sólido que lo atraviesa, es decir que se encuentra "sumergido" en ese aire.



La fuerza aerodinámica tiene dos componentes, como puedes ver en el gráfico:

1.- Sustentación, que es una fuerza "normal" (perpendicular) al movimiento del sólido, y que es debida a la presión que el aire ejerce sobre la superficie del sólido.
2.- Resistencia, que es una fuerza paralela al movimiento y que surge debido a la viscosidad del fluido (aire), haciendo que las partículas rocen con la superficie del sólido. Esto "roba" energía y frena el movimiento.

También se genera fuerza aerodinámica en las hélices de un rotor, generando empuje al mismo aire y provocando que el vehículo pueda moverse.

Como has leído, hay un parámetro muy interesante (para estudio) que es la viscosidad de un fluido. Se entiende por viscosidad dinámica a la resistencia que ofrece el fluido a deformarse. Por ejemplo, comparar agua y aceite de oliva. Si te pregunto cuál es más viscoso, seguro me respondes que el aceite, y es debido a que se resiste más a moverse que el agua, es decir "fluye" mejor el agua que el aceite.



En este gráfico lo verás mejor. Imagina que es un sólido deformable y que ejerces una fuerza para intentar desplazarlo, el resultado será como el de la imagen c). Imagina diferentes capas, rozando entre si e impidiendo el movimiento de todo el conjunto.
Bien, con los fluidos sucede igual, sólo que no hay una unión tan fuerte de sus moléculas y pueden llegar a desprenderse si se ejercen fuerzas superiores a lo que la viscosidad permite.

Así llego a otro concepto que necesitas conocer. Este concepto es más complicado, pero lo vas a entender en su base. Me refiero a la "capa límite", que es la región espacial dónde la velocidad de desplazamiento de un fluido se ve perturbada por la superficie de un sólido que lo esté atravesando.



En el gráfico ves lo que se llama campo de velocidades. Como verás, este cambia al pasar por la superficie del sólido, alterando el campo de velocidades del fluido. A la línea que ves que marca la diferenciación, se la denomina capa límite. Es muy importante estudiarla para que un perfil alar, o una carrocería, o cualquier otra pieza funcione bien al atravesar el aire. Llegado el caso de que la viscosidad no sea suficiente para mantener las capas ordenadas, el fluido comenzará a moverse de manera caótica, fenómeno conocido como "desprendimiento de la capa límite".



En las diferentes figuras, observas el movimiento del fluido. En los casos 1, 2, 5, y 6, observas el fenómeno del desprendimiento de la capa límite. Esto sucede porque la viscosidad del fluido ya no puede mantener las moléculas ordenadas, y entonces pasa a moverse en régimen turbulento.

Bien, ahora paso a explicarte como genera sustentación en las alas de los aviones, y además sirve para explicar como generan carga aerodinámica los alerones de competición automovilística.



Primero, conocer bien la geometría de un perfil alar. La sustentación, acuérdate, se generaba debido a la presión ejercida por el fluido (en este caso, aire). ¿Dónde? En el borde denominado intradós, el cuál tiene mayor radio de curvatura (curva más plana) que el extradós. Esto produce una diferencia de presiones que hace que el aire que se dirige por la parte superior se mueva más rápido que por la parte inferior.

Aquí tengo que explicarte el Principio de Bernoulli, el cuál nos dice que un fluido cualquiera, en circulación por un conducto cerrado, no observará variación de su energía total en todo el recorrido de ese conducto, sea cual fuere su forma, sección o secciones, y longitud. Esto derivó en la deducción de que cuando un fluido aumentaba su velocidad, disminuía su presión, y viceversa.

Esto, añadido a la Tercera Ley de Newton, nos da como consecuencia la generación de una fuerza normal a la trayectoria, y que depende de varios factores (explicados a groso modo, no quiero liarte mucho):

- Superficie alar.
- Velocidad de desplazamiento.
- �ngulo de ataque del ala. Este ángulo es el formado entre la cuerda del perfil y la horizontal. Cuánto mayor sea, mayor será la sustentación ejercida... hasta un límite, que produce el desprendimiento de la capa límite y, por ende, la entrada en pérdida de ese ala.



El perfil de presiones, que observas en esta figura, puede modificarse debido al ángulo de ataque. Como ves, la presión es positiva en el intradós (se genera empuje) y negativa en el extradós (se genera succión).
Esto me lleva a hablarte del "centro de presiones", que es la zona dónde se aplica la resultante de todas las fuerzas de presión que ejerce el fluido sobre el ala.



El centro de presiones depende del ángulo de ataque, a mayor ángulo de ataque más cercano al borde de ataque estará. A su vez, más resistencia aerodinámica se ejercerá.

De momento, creo que vale por hoy. Durante el fin de semana te seguiré hablando más sobre aerodinámica, centrándome en la resistencia aerodinámica. Espero te haya gustado.

[Jero]

Buenos días y buen sabado. Continuo con las explicaciones sobre aerodinámica, ahora si centrándome más en competición.

Volviendo al tema de la fuerza aerodinámica, que ya te expliqué en que consiste y como se genera, te pongo ahora la diferencia fundamental entre la generación de sustentación (lift) o de carga aerodinámica (downforce).



Básicamente son la misma fuerza, lo que cambia es la curvatura del intradós y el extradós del perfil. Esto hace que la diferencia de presiones sea ahora la contraria que la de un ala de avión, y por lo tanto la presión del aire se aplique en dirección perpendicular al movimiento, pero con sentido hacia abajo.



Esta es la ecuación general para el cálculo de la carga aerodinámica en un perfil alar. El cálculo es igual para la sustentación (caso de la ecuación), como para la carga aerodinámica (downforce).
Para empezar, el coeficiente de sustentación (o de carga aerodinámica) es un número adimensional. La aerodinámica es una disciplina experimental, mayormente, y este coeficiente es un número adimensional que se calculó mediante unos ensayos.
El Cl depende, principalmente, del ángulo de ataque y nos indica la capacidad de generar carga que tendrá un perfil alar. A mayor ángulo de ataque, mayor será la capacidad de generar carga.




Bien, pero sólo con esto no se explica bien porqué el aire sigue el camino que le marcan las diferentes curvaturas, y no se desvía hacia otra zona. Aquí entra en juego el concepto del efecto Coanda.
El efecto Coanda fue descubierto por el ingeniero rumano Henri Coanda, el cuál destruyó en un experimento un aeroplano creado por él (año 1910). Observó, sin embargo, que los gases de la combustión producida por un incendio en el aparato, imitaban las formas de las diferentes superficies del aparato. Llegó a la conclusión de que los fluidos tienen a imitar la forma de la superficie que los atraviesa.



Volviendo a la generación de carga aerodinámica, pongo de nuevo la ecuación.



La superficie es también factor para saber cuánta carga se generará, cuánto mayor sea esa superficie, mayor será la carga generada. Aquí también hay que reseñar que hablo de perfiles alares, más tarde te diré que consecuencias hay por usar perfiles de mayor superficie, y que ocurre en otras superficies que no son perfiles alares.

La velocidad es el factor, sin embargo, más determinante de todos. Y es la razón fundamental por la que muchos aditamentos aerodinámicos no funcionan correctamente, algunas veces. La velocidad es un factor cuadrático, es decir que un aumento pequeño de la velocidad, provoca un aumento de la carga aerodinámica sustancial (recuerda que está esa velocidad elevada al cuadrado).
Por lo tanto, es inútil usar ciertos alerones en vehículos que no puedan alcanzar velocidades elevadas. Esto, además de no servir para generar suficiente carga aerodinámica, perjudica el consumo porque la resistencia aerodinámica siempre está presente (ya te hablaré de ella pormenorizadamente). Además, puede provocar inestabilidad dinámica en el vehículo, debido al desequilibrio que pueda producir debido al cambio de la velocidad y dirección del aire, además del campo de presiones que actúa sobre el vehículo.

Otro factor es la densidad del aire, siendo directamente proporcional. Es decir, a mayor densidad, mayor carga aerodinámica generada con el resto de parámetros constantes. Es por esto que en circuitos que están a mucha altitud sobre el nivel del mar, se ponen alerones con mayor inclinación y, sin embargo, puede que estén generando la misma carga aerodinámica que en otros circuitos alerones con menor inclinación. Esto se debe a que cuánto mayor sea la densidad, mayor masa de aire incide sobre el alerón y se genera más presión.



En este gráfico puedes observar el aumento del coeficiente de sustentación, el Cl, según aumenta el ángulo de ataque. Pero todo tiene un límite, acuérdate del post anterior en el que te hablé de la capa límite. El efecto Coanda es una consecuencia, o es intrínseco, a la formación de la capa límite (íntimamente relacionados con la viscosidad del fluido).

Bien, esta lección la dejo aquí de momento. No quiero atragantar con muchos conceptos, y aún hay que atacar el otro pilar fundamental del cálculo aerodinámico... la resistencia aerodinámica. Hasta el próximo.

[tenista]

Muchas gracias Jero, tremendo!!

[Jero]

Buenas tardes y, espero, que buen domingo.

Hoy voy a hablar de la resistencia aerodinámica, que como recordarás es componente de la fuerza aerodinámica de la que te he hablado anteriormente. ¿Qué es la resistencia aerodinámica? Es una fuerza que se opone al movimiento de un sólido, "sumergido" dentro del aire. Esta fuerza tiene la misma dirección del movimiento, pero su sentido es el contrario al propio movimiento del sólido.

La resistencia aerodinámica se puede dividir en dos tipos principales:

- Resistencia parásita: Es la parte de la resistencia que no depende de la sustentación, o de la carga aerodinámica (downforce), es decir es resistencia generada por todas las superficies que no generan carga aerodinámica.

. Resistencia inducida: Esta resistencia se origina en las superficies, perfiles alares, que generan carga aerodinámica o sustentación. Es función directa, al igual que la carga aerodinámica, del ángulo de ataque del ala, o alerón, y a mayor ángulo de ataque, mayor resistencia.

Una imagen para que veas, a groso modo, que es la resistencia al avance que ejerce un fluido. Esto ocurre cuando un objeto sólido trata de moverse "sumergido" en un fluido. Creo que con una imagen es más sencillo comprender que es la resistencia fluidomecánica, particularmente la aerodinámica porque carecemos de capacidad para ver el aire. Aunque la imagen es de un barco, comprenderás al ver las estelas que deja el barco a su paso que es la resistencia fluidomecánica. La aerodinámica funciona igual, sólo que no podemos verla.



Bien, vuelvo a la resistencia parásita. Ésta se puede subdividir a su vez en tres componentes que son la resistencia del perfil aerodinámico, resistencia adicional y resistencia por interferencia.

- Resistencia del perfil aerodinámico: Esta se puede dividir en dos componentes, que serían la resistencia de presión y la resistencia de fricción. La primera debida a la estela que deja el aire al atravesar el perfil alar, esto "culpa" del efecto Coanda. La segunda debida a la viscosidad del fluido, aunque recuerda que el efecto Coanda y la viscosidad están íntimamente ligados.

- Resistencia adicional: Resistencia que provocan todas las superficies del objeto, cuerpo, etc, que están en movimiento sumergidas en el fluido; las cuáles no generan carga aerodinámica ninguna. Es decir, resistencia provocada por la carrocería, y elementos adicionales a esta (espejos, ruedas, etc).



- Resistencia por interferencia: Si recuerdas el fenómeno de capa límite, el cuál te he explicado anteriormente, es fácil llegar a la conclusión de que hay superficies en un vehículo que forman ángulos de 90º como mínimo, incluso águdos, entre sí. Esta cercanía entre superficies puede provocar que las diferentes capas límite de cada superficie, en la zona de encuentro entre estas, interfieran entre sí, alterando el flujo aerodinámico entre ellas.



Una de las razones de que la punta de flaps de un alerón delantero actual y la punta de la nariz estén separadas a 250 mm. del eje central de esa punta de nariz, es por evitar o reducir la resistencia por interferencia. Las sujecciones del alerón delantero al morro del monoplaza, que ves en la imagen, podrían interferir con esas puntas de flap y restar fuerza al vórtice Y250.

Y ahora si, entro de lleno en la resistencia inducida. Es la producida por un perfil alar al generar carga aerodinámica (lift o downforce). Esta es totalmente inevitable, y se produce debido a que las corrientes de aire que viajan por el intradós y el extradós, se encuentran en la punta (terminal) del ala (o alerón). Es directamente proporcional al ángulo de ataque, al igual que el coeficiente de carga aerodinámica (del que te hablé anteriormente); y es que la ecuación para calcular la resistencia aerodinámica es prácticamente igual que para calcular la carga aerodinámica, salvo por el cambio de coeficientes.



Debido precisamente a que la velocidad es un factor cuadrático, es por ello que la resistencia aumenta exponencialmente, conforme aumenta la velocidad linealmente. Es decir, pequeños aumentos de velocidad provocan aumentos significativos de la resistencia aerodinámica.



En el gráfico puedes ver el aumento de la resistencias mecánica y aerodinámica, que el vehículo deberá superar si quiere aumentar su velocidad de desplazamiento. A partir de unos 80 km/h aprox., la resistencia aerodinámica será la principal resistencia a vencer. El gráfico es genérico, pero la diferencia de pendiente de las curvas si es extrapolable a otros vehículos.

Bien, pongo de nuevo la ecuación de la resistencia aerodinámica.



De nuevo, la densidad del fluido es un factor a tener en cuenta. En el caso de la aerodinámica, como ya te dije, dependerá de la altura sobre el nivel del mar, y en menor medida de la temperatura.

El Cx, o coeficiente de penetración en aire (coeficiente aerodinámico), es un número adimensional que nos indica lo buena, o mala, que es una forma determinada. Aquí un ejemplo muy intuitivo:



Y aquí los diferentes Cx que tienen diferentes formas geométricas:



Ten en cuenta que cada forma está estudiada en esa posición geométrica. Si cambias su posición (con respecto a la dirección de movimiento), ya cambias su Cx.

Lo siguiente, al igual que con la carga aerodinámica, es la superficie frontal que se "enfrenta" al aire. Esto es un factor muy importante, ya que cuanto menor sea esa superficie, menor será la resistencia aerodinámica.
Aquí, además, surge el concepto de SCx, que no es más que el resultado de multiplicar el Cx por la superficie frontal del vehículo. Este número es un parámetro más importante que sólo el Cx, para saber si un vehículo ofrecerá más o menos resistencia aerodinámica.



El concepto SCx es la razón por la que los cilistas, y los pilotos de motos, tratan de reducir su superficie frontal cuando circulan tratando de alcanzar la velocidad máx. posible.

Indagando aún más en la resistencia parásita, te enseño esta imagen de un F1 "untado" con parafina para estudio del comportamiento del aire.



Cuando te expliqué el efecto Coanda, te comenté que era función de la viscosidad del fluido. Bien, para conseguir esa linealidad en el aire a su paso por las diferentes formas del monoplaza, habrás oido hablar de los generadores de vórtices (y lo necesarios que son hoy día). ¿Por qué? Bueno, cuando te hablé de la capa límite también te hablé de su desprendimiento. Si recuerdas, al desprenderse esa capa límite producía que el aire pasara a moverse en régimen turbulento (caótico) y, por lo tanto, esto produce que el aire se mueva en todas direcciones sin control.

Continuaré hablándote de resistencia aerodinámica en otro post, y de esos generadores de vórtices que ayudan a reducir la resistencia generada. Hasta el próximo.

[Jero]

Buenos días y buen jueves.

Este post va a tratar sobre flujos aerodinámicos, más bien sobre regímenes laminar y turbulento. Aunque eso si, primero te hablaré sobre algo que estarás harto (o harta) de oír o leer. Me refiero a los archiconocidos vórtices, por las retransmisiones de las carreras de Formula 1. Si te pregunto por ello, seguramente me digas que son unos torbellinos de aire que salen de las puntas de las alas, generalmente. Y no andas muy desencaminado, pero es mejor conocer las cosas de una manera más exacta.

Bueno, la pregunta sería entonces, ¿qué es un vórtice? En aerodinámica, un vórtice es flujo turbulento en rotación en espiral, con líneas de corriente cerradas (como en un tubo). Es decir, el vórtice se retroalimenta para mantener el movimiento en espiral.



En la imagen, ves un vórtice perfectamente definido, debido al humo de color rojo. Todo esto está genial, pero el porqué sucede esto hace que haya que ir a plantear la cuestión de que son los flujos laminares y turbulentos.

Un flujo laminar, en fluidomecánica, es aquél en que su movimiento está ordenado (estratificado) y es suave. Con agua se ven mejor estas cuestiones.



Como ves, el agua sale de la tubería de una manera uniforme, manteniendo una velocidad más o menos constante (verás que se ve transparente). Esto es así porque cada partícula de fluido sigue su trayectoria propia, sin alterar las trayectorías de otras partículas adyacentes; y esto da como resultado que el mecanismo de transporte lateral es sólo molecular.

Se denomina flujo turbulento a la corriente de fluido cuyo movimiento es caótico e impredecible, ya no hay movimiento suave y estratificado.



En flujo turbulento, las trayectorias de cada partícula se entremezclan y dan como resultado choques entre las mismas. Esto genera mucha diferencia de presiones entre volúmenes, por lo que el movimiento se vuelve caótico y las pérdidas de energía son altas.

Si recuerdas de anteriores post en los que te hable de viscosidad, esta es la responsable de que un flujo laminar se pueda volver turbulento en un momento determinado. El mecanismo es que cuando el flujo está estratificado (laminar), las partículas de diferentes estratos contiguos tratan de inducir rotación entre ellas mismas, debido a la fricción. Esta fricción hace que se pierda energía y, llegado un punto, esa pérdida de energía ocasiona que no se pueda superar la viscosidad del fluido. Es entonces cuando el flujo cambia de estado, y comienza a volverse turbulento porque hay zonas de fluido con poca energía que son empujadas por otras con más energía.



En este gráfico puedes ver perfectamente que ocurre con el gradiente de velocidades. En flujo laminar, este está estratificado, siendo mayor la velocidad en el centro del conducto y menor en las paredes. La frición entre las diferentes partículas hace que ese gradiente vaya igualándose, hasta que se genera turbulencia porque las partículas interfieren entre trayectorias, ocasionando que el movimiento sea caótico.

Para determinar la frontera entre flujo laminar y turbulento hay que acudir a un nº adimensional, usado en cálculos de fluidomecánica, llamado "nº de Reynolds". Este se define como la relación entre fuerzas de inercia y fuerzas viscosas, es decir la relación entre la energía cinética que lleva el fluido y la capacidad del mismo de mantenerse ordenado (viscosidad).



Esta será de las pocas ecuaciones que te ponga (no pretenden ser una clase de ingeniería estos post). En ella ves en que consiste el adimensional Reynolds (escrito Re). En el numerador verás la densidad, la velocidad y la distancia recorrida por el fluido respectivamente. En el denominador, la viscosidad dinámica o la viscosidad cinemática, si no tienes en cuenta la densidad del fluido.
¿Cómo interpretarlo? El Re para discenir entre regímenes laminar y turbulento es experimental, y depende de cada fluido y de la dimensión característica (D), la longitud que recorre el fluido. Pero, a grandes rasgos, si se quiere operar en régimen laminar hay que procurar que Re sea bajo, típicamente Re<2000. Si se quiere operar en régimen turbulento, entonces Re>3500.



¿Recuerdas el concepto de capa límite? Pues está muy relacionado con el Re. Como ves en este gráfico, la capa límite es mayor en régimen turbulento que en laminar. Eso sí, este cambio de laminar a turbulento no ocurre instantaneamente, sino que hay una etapa de transición (régimen sin definir) y después, si las fuerzas de inercia siguen aumentando, la viscosidad ya no es suficiente para mantener el fluido cohesionado.

Y, ahora, viene lo mejor. Los ingenieros aerodinamicistas, hace tiempo ya, observaron mediante experimentos que el régimen turbulento posee más energía cinética (mayor inercia) que el laminar y que su capa límite se vuelve más "gruesa" (por decirlo en román paladino) y es más difícil que esta se desprenda. Es decir, el flujo turbulento es capaz de avanzar mayor longitud sin alterar su trayectoria general (recuerda que las partículas se mueven de manera caótica, pero el compendio de ellas pueden ir en la misma dirección).

Bien, hasta aquí este post sobre flujos laminar y turbulento. En el próximo ya entraré en materia con los famosos vórtices, y los generadores de vórtices.

[tenista]

Puede que me equivoque o me equivoca el dibuja... pero el flujo laminar que vemos en la imagen que precisamente parece el morro de un F1, ¿tiene que ver con ello?...

[Jero]

Puede que me equivoque o me equivoca el dibuja... pero el flujo laminar que vemos en la imagen que precisamente parece el morro de un F1, ¿tiene que ver con ello?...

¿A qué imagen te refieres? En todo caso estás en parte en lo cierto, ya que se trata de hacer que el flujo aerodinámico "aguas arriba" (por encima del morro) sea laminar, pero aguas abajo se trabaja hoy día en régimen turbulento (generando vórtices). Lo de la vorticidad y su uso lo explicaré más adelante.