La capa límite

Cuando un fluido se mueve libremente sin obstáculos ni paredes que lo confinen, la velocidad en todos sus puntos es la misma. Sin embargo, cuando entra en contacto con un objeto, en nuestro caso, la superficie del monoplaza de F1, la velocidad del aire se ve afectada, apareciendo el fenómeno de la capa límite o boundary layer en inglés.

Como se comentó en el artículo donde se explicaba el principio de Bernoulli, el aire posee una cierta viscosidad. Esta viscosidad genera fuerzas de rozamiento al entrar en contacto con el monoplaza, provocando que la velocidad del fluido sobre la superficie sea nula (o que tenga la misma velocidad que el vehículo y la velocidad relativa entre ambos sea nula). Como a una cierta distancia del vehículo, la velocidad del aire sigue siendo la que tenía antes de entrar en contacto con él (la llamaremos V), se crea una zona de transición donde el flujo va aumentando su velocidad, desde 0 en la superficie hasta V en la zona no afectada. Esto se puede observar más claramente en el diagrama inferior, conocido como perfil de velocidades.

Perfiles de velocidades en capa límite

La capa límite puede ser laminar o turbulenta. Una capa límite laminar presentará un flujo ordenado (en el caso de la Figura superior, de izquierda a derecha), lo que originará una menor fricción entre fluido y superficie. Sin embargo, el fluido confinado en una capa límite turbulenta presentará un comportamiento caótico, observándose la aparición de vórtices que incrementarán la fricción entre el fluido y el monoplaza. Entre ambos tipos de capa límite aparecerá una etapa de transición, donde se mezclarán los fenómenos típicos de cada modelo de capa límite.

Regiones de la capa límite
[1]

Si la turbulencia se incrementa en gran medida, la capa límite tenderá a desprenderse del cuerpo, generando una zona de menor presión, que como explicamos en el artículo en el que se exponen las fuerzas que sufre un monoplaza, contribuirá al incremento del drag o resistencia aerodinámica al avance.

En el artículo sobre el flujo laminar y turbulento te explicamos a fondo las características de ambos tipos de flujo. Además, en el artículo sobre el número de Reynolds os contamos cómo sabemos los ingenieros en qué estado se encuentra la capa límite.

Los ingenieros de F1 diseñan los elementos aerodinámicos del monoplaza tratando de predecir cómo influirá cada pieza en el estado de la capa límite, para exprimir las ventajas de cada régimen (laminar, transición o turbulento) al máximo.


Referencias:

[1] Nuclear Power. Velocity Boundary Layer – Thermal Boundary Layer. Online en: https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/fluid-dynamics/boundary-layer/velocity-boundary-layer-thermal-boundary-layer/

Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.

NASA (5 de mayo de 2015). Boundary Layer. Online en: https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/boundlay.html



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