L’AERODINÀMICA DELS VEHICLES DE COMPETICIÓ
Treball de recerca
Antecedents i introducció
Quan parlem de la aerodinàmica referent a monoplaces o automòbils de competició, li atribuïm la responsabilitat de complir els següents dos objectius: reduir la resistència a l’avançament i, per altre banda, generar suficient carregà aerodinàmica per mantenir enganxat el cotxe a l’asfalt.
Cal tenir clar que l’aire és un fluid el qual està constantment en contacte amb el vehicle i ofereix més resistència com a més velocitat es vagi, així doncs i per tal de reduir la resistència a l’avanç cal que el perfil del cotxe ajudi a fluir l’aire fàcilment per tota la carrosseria per tal de minimitzar aquesta resistència.
També cal preocupar-se de tenir suficient carregar aerodinàmica ja que sinó, a grans velocitat, el vehicle podria en ocasions perdre el 100% de contacte amb el terra provocant un accident. Per aconseguir aquesta força que fa que els automòbils no surtin volant, es recorre a un sistema molt semblant al que fan servir els avions per enlairar-se però, en aquest cas, de manera inversa. De tal manera que, en canvi de que els complements aerodinàmics tinguin un perfil d’ala d’avió, serà just l’oposat creant així una força cap en baix i mantenint en tot moment el vehicle en contacte amb el circuit.
Fig. 1 - Perfil alar típic d'un aleró de Fórmula 1
On;
• Vora d'atac: És la part frontal de l'aleró.
• Vora de sortida: És la part del darrere de l'aleró, afilada i estreta. També es coneix com a "vora de fuga".
• Extradós: Curvatura superior que va des de la vora d'atac fins al vora de sortida.
• Intradós: Curvatura inferior que va des de la vora d'atac fins al de sortida.
• Gruix: Distància màxima entre l'extradós i l'intradós.
• Corda: És la línia recta que uneix la vora d'atac amb la vora de sortida. És una dimensió característica del perfil.
• Curvatura mitja: És la línia equidistant entre l'extradós i l'intradós.
Cal tenir en compte, que com més càrrega aerodinàmica es té, també més resistència a l’avançament es crea, ja que ambdós estan relacionats. De tal manera que lo ideal és aconseguir un equilibri entre els dos, i aquí és on sorgeixen tots els maldecaps per part dels enginyers i enginyeres de totes les escuderies. Així doncs la seva feina és la de aconseguir que per cada X quilograms de força que enganxa el cotxe a l’asfalt, n’hi hagin els mínims possibles que el tirin endarrere dificultant el seu avanç. La fracció resultant serà la que determinarà si el seu pilot passarà, o no, el primer per la línia de meta.
Una de les coses que més impacten sobre l’aerodinàmica en els automòbils de competició és la quantitat de camps que l’engloben, passant pel de l’enginyeria i la tecnologia fins al de la ciència i inclús l’art, fan que l’aerodinàmica tingui aquesta particularitat la qual no comparteix amb cap altre aspecte tècnic d’un vehicle de competició. Però la veritat és que no n’hi ha per menys, ja que l’aerodinàmica és considerat l’apartat tècnic de major influència en el comportament i rendiment final d’un automòbil de competició. Per això, tot equip que avui en dia vulgui tenir els seus monoplaces en les primeres files de sortida, requereixen d’un estudi exhaustiu sobre l’aerodinàmica del vehicle per tal de millorar els aspectes següents i dels quals anirem parlant més endavant:
-
Estudi dels apèndix aerodinàmics, com per exemple els alerons.
-
Coeficient aerodinàmic de sustentació (CL) de la carrosseria.
-
Coeficient aerodinàmic de resistència o de penetració (CD) o (Cx).
La aerodinàmica ha recorregut un llarg camí en els últims 45 anys. El que es coneix com el primer intent, en aquest cas fallit, de muntar un element aerodinàmic en un cotxe de carreres és el dut a terme en el 1956 per l’enginyer suïs, Michael May, en un Porche Spyder. Malauradament els comissaris de Nürburgring i Monza (llocs on tenia que competir el Porche), no van permetre el seu us, per lo que mai va arribar a córrer, tot i així va ser un gran pas endavant i es va continuar amb l’estudi d’incorporacions externes.
Fig. 2 – Porche Spyder del 1956 amb l’aleró col·locat sobre del “cockpit” del pilot.
Durant el transcurs dels anys 60 enginyers i dissenyadors van unir esforços per tal de reduir la resistència a l’avanç i així obtenir millors velocitats puntes. Per altra banda també es buscaven solucions aerodinàmiques als problemes de sustentació positiva o aixecament en categories “GT o Sport”, les quals provocaven un mal rendiment i inclús deficiències en la seguretat. Van ser en aquest conjunt de vehicles on el “boom” dels diferents elements i millores aerodinàmiques va tenir més importància i que posteriorment es desenvoluparien i apareixerien en altres competicions automobilístiques.
Tot i així cal dir que en el món de les carreres, l'eficàcia aerodinàmica va ser, durant dècades, concebuda només com un mètode per poder anar més ràpid en les rectes, però en realitat suposa unes enormes millores tant en el pas per corba com en la frenada. El reconeixement i l'explotació d'aquest fet han significat, durant els darrers 30 anys, el desenvolupament tecnològic més important en l’àmbit automobilístic.
Conceptes i principis aerodinàmics
La paraula aerodinàmica és molt utilitzada avui en dia, però no sempre de forma correcte. Pot ser que tothom tingui una vaga idea del que pot significar, però és del cert que el concepte aerodinàmica és més complex del que un es pot imaginar i encara més si es parteix de zero com en el meu cas. Dit vulgarment, podríem interpretar l’aerodinàmica com la manera en la que es mou l’aire al voltant dels objectes, més tècnicament parlant, vindria a ser la manera en com es mouen els gasos al interactuar amb un cos sòlid. L’aerodinàmica analitza les accions que apareixerien sobre els cossos sòlids quan hi ha un moviment relatiu entre aquests i el gas el qual els envoltes i l’objectiu de la qual és determinar el comportament i les forces que exerceix l’aire sobre qualsevol cos en moviment.
L’estudi de l’aerodinàmica és, justament, l’estudi de la interacció entre un objecte que es mou i el medi pel qual ho fa. Les característiques físiques tant de l’objecte com del medi donaran com a resultat una dinàmica específica de moviment, és a dir, una acceleració, direcció i velocitat determinada.
Cal recordar que l’aerodinàmica és una branca de la mecànica de fluids, la qual pertany a una branca de la mecànica, que tant mateix forma part de una de les branques de la física i la qual, com ja hem dit abans, s’especialitza en estudiar els principis i les lleis que regeixen les interaccions entre un gas i un cos sòlid.
Conèixer els principis de l'aerodinàmica és útil en una llarga llista de coses. Des de elevar i pilotar un avió, fins a conduir un vehicle o xutar una pilota. Cada vegada que ens movem o llancem un objecte, actuen una quantitat enorme de principis físics dels quals no solem donar-nos ni compte.
Resistència aerodinàmica
Entenem com a resistència aerodinàmica (o simplement resistència) a la força que sofreix un cos en moure’s a través d’un gas en la direcció de la velocitat relativa entre el gas i el cos. La resistència serà sempre en sentit oposat a la velocitat del cos, per això, a vegades es coneix com la força de fricció que s’oposa a l’avanç de un cos a través de l’aire.
Existeixen els següents tipus de resistències aerodinàmiques:
-
Resistència total a l’avanç: és la força total que posa resistència al moviment del cos pel fluid.
-
Resistència aerodinàmica per fregament: existeix en els fluids viscosos, i es deu precisament a la viscositat que actua tangencialment a tots els punts de la superfície del cos.
-
Resistència aerodinàmica per pressió: és generada per la força de pressió.
-
Resistència aerodinàmica induïda: depèn de la sustentació i es pot calcular en fluids no viscosos.
-
Resistència a la formació d’ones: ve associada a la formació d’ones de xoc en vols d’alta velocitat.
-
Resistència aerodinàmica de forma: força total que actua en direcció cap enrere degut a la forma.
-
Resistència aerodinàmica de perfil (o de capa límit): és la suma de la fricció superficial i la resistència aerodinàmica de forma.
Càrrega aerodinàmica
Al parlar de càrrega aerodinàmica com a concepte teòric, es necessari entendre la relació que hi ha entre flux i pressió a nivell de dinàmica de fluids. Tot queda ben explicat en la coneguda expressió de Daniel Bernoulli la qual ens explica aquest fenomen:
P+½ ρv² = constant
On, P(pressió), ρ(densitat de l’aire) i V(velocitat del flux) (Eq. 1)
Per tant, segons aquesta expressió, podem deduir que si s’incrementa la velocitat del flux, la pressió hauria de decréixer. Aquest fenomen presenta dos paràmetres definits en la “Teoria de la càrrega aerodinàmica de Newton”. Els podem veure representats en la següent figura 3.
Fig. 3 - Forces aplicades a un perfil aerodinàmic.
Aquest principi ens explica, per exemple, el perquè els avions volen. L’aire té un recorregut més gran per la part superior de l’ala per lo que agafa una velocitat més gran, fet que provoca baixa pressió en aquella zona. Per l’altre banda, a la part inferior, passa just el contrari. La síntesi d’això fa que l’ala experimenti una força de aixecament.
Adherència provocada per la càrrega aerodinàmica
Quan parlem de la força normal d’un cos, i en aquest cas, d’un vehicle ens referim en el seu propi pes. L’expressió de la força de fregament ve donada per aquesta força (N) multiplicada per un coeficient de fricció determinat (μ).
Per tant, si considerem que tenim un vehicle de pes (Y), i un altre amb el doble (2Y), aquest últim també tindrà el doble de força normal i per tant de fregament. En el moment d’entrar en un revolt, els pneumàtics tindran que aprofitar aquest fregament amb l’asfalt per tal mantenir la nova trajectòria, ja sigui accelerant més o frenant. En un cas ideal, el límit màxim d’adherència vindrà donat per l’expressió anterior.
Fig. 4 – Cercle de tracció o de Kamm on podem observar totes les combinacions d’adherència possibles.
Ara bé, si com en la realitat tenim en compte l’efecte de l’aire sobre el cos, el qual ja hem dit que té una viscositat i densitat característica, l’aerodinàmica arriba a prendre un paper molt important en aquesta maniobra de tal manera que por arribar a afavorir-lo (si es crea una sustentació negativa) o empitjorar-lo ( si apareix sustentació positiva).
En el millor dels casos, la sustentació negativa que podria crear un vehicle gracies a la seva càrrega aerodinàmica (downforce) originada pels seus complements aerodinàmics, el permetrà passar per les corbes a una velocitat elevada sacrificant, degut a la resistència que aquests provoquen, a una millor velocitat punta. Si tenim en compte que en les competicions normalment comptem amb un gran nombre de revolts, ens adonem que, la càrrega aerodinàmica es un factor determinant en els circuits “lents” i revirats com per exemple en el de Mònaco i en canvi perd una mica de protagonisme en circuits amb moltes rectes on es té més en compte la velocitat punta com per exemple a Monza.
Força aerodinàmica: sustentació i resistència
Sabem que una força aerodinàmica és generada quan un corrent d’aire flueix tant per sobre com per sota d’un cos. El lloc on aquest flux és divideix al “xocar” amb el cos el coneixem com a “punt d’impacte” i és on és genera una gran pressió. La força aerodinàmica està composta per la resistència, que com ja hem dit anteriorment és la força que s’oposa al moviment d’un objecte en l’aire, i per la sustentació, que és la força que actua de manera perpendicular al vent relatiu. Les dues components venen regides per les següents expressions:
Resistència = CD x ½ ρv² x A (Eq. 2)
Sustentació = CL x ½ ρv² x A (Eq. 3)
Només existeix una única diferencia entre les dues formules, i és en els coeficients CD (Coeficient de resistència) i el CL (coeficient de sustentació). Ara bé, tant la resistència com la sustentació tenen en compte l’àrea del cos, que portat a la realitat vindria a ser el frontal d’un vehicle, per lo que podem extreure’n la conclusió de que un cotxe amb un frontal més gran, també tindrà una resistència i sustentació superior respecte un amb un frontal més petit. Per aquest motiu les marques de vehicles casi mai et donen la resistència aerodinàmica del cotxe sinó que només et faciliten el coeficient de resistència (CD), donant a lloc una possible confusió per part del comprador.
Per exemple observem 2 vehicles els quals he investigat i sé que tenen més o menys el mateix coeficient aerodinàmic, tot i així, ja puc intuir que el de la dreta tindrà més resistència aerodinàmica ja que té una àrea frontal superior al de la esquerra.
Degut a aquest fregament amb l’aire, una part de la potència que entrega el cotxe es contrarestada i per tant es perd. Com hem vist en les anterior formules, la velocitat és un factor determinant en aquesta pèrdua d’energia ja que està elevada al quadrat.
També és interesant el terme que es coneix com a eficiència aerodinàmica el qual sortirà de la divisió entre el coeficient de sustentació (CL) i el de resistència (CD) anteriorment mencionats.
Eficiència. A = CL/CD
