Las fuerzas sobre el monoplaza, drag y lift (o downforce)

El efecto tangible de la aerodinámica sobre un cuerpo es la aparición de fuerzas que afectan a su dinámica. Dichas fuerzas son comúnmente conocidas como drag o resistencia aerodinámica al avance y lift o sustentación. 

Hablando en términos automovilísticos, el drag es la fuerza que experimenta el monoplaza en la dirección de avance y en sentido contrario a este. Por tanto, dicha fuerza se opone a su movimiento longitudinal. Esta resistencia al avance tiene principalmente tres fuentes:

  • Drag debido a la fricción del fluido: El aire es un fluido viscoso, y por tanto genera fuerzas tangenciales a la superficie del monoplaza, oponiéndose a su avance.
  • Drag debido a la distribución de presiones: Aquí aparecen múltiples contribuciones de distintas fuentes, que se explicarán en artículos posteriores. Quizás la más importante es la que surge debido a la diferencia de presión entre la parte frontal (sobrepresión) y la parte posterior (depresión) del monoplaza. Por esto, se genera una fuerza que va de la zona de mayor a la de menor presión y se opone al avance del vehículo. En el artículo sobre el drag de forma (así es como se conoce a este tipo de resistencia) lo explicamos más a fondo.
  • Drag debido a la generación de sustentación o carga aerodinámica: Conocido como drag inducido, aparece en los cuerpos que generan fuerzas de sustentación.

Por otro lado, podemos definir el lift como la fuerza de elevación o de sustentación vertical que provoca que los aviones se eleven y se mantengan en el aire. En el mundo del automovilismo se busca crear el efecto contrario, el downforce, generalmente traducido al español como “carga aerodinámica”. Esta fuerza también es vertical, pero en este caso apunta hacia el suelo, siendo su efecto el de empujar al vehículo hacia el asfalto.

Drag y downforce en un monoplaza

El downforce se genera por la diferencia de presiones. Se recomienda una rápida lectura al artículo referente al principio de Bernoulli en caso de no estar familiarizado con el tema. Los vehículos de carreras, presentan un espacio libre entre su chasis y el asfalto. Debido a la pequeña altura libre, el aire que pasa a través de él se acelera, creando una zona de presión reducida o de baja presión. Como sobre el vehículo la presión es mayor que bajo él, se genera una fuerza vertical que empuja al monoplaza hacia abajo. Las partes del fondo plano y su funcionamiento se explican más a fondo en otros artículos.

Y, ahora que conocemos cuáles son las fuerzas principales que actúan sobre el monoplaza, ¿podemos estimar su menor o mayor efecto en el comportamiento del vehículo? La respuesta es un rotundo sí. Las ecuaciones que se emplean para calcular ambas fuerzas son muy similares entre sí y aportan información muy interesante.

Ecuaciones de drag y lift

En estas ecuaciones, D es el drag, L es el lift (o downforce en negativo), ρ es la densidad del aire, A es el área frontal del vehículo, V es la velocidad a la que circula y CD y CL son los coeficientes de drag y de lift que se explican un poco más adelante.

Comencemos a analizar cada uno de los parámetros que afectan a ambas fuerzas.

El primero de todos es la densidad del aire. En general, cuando se incrementa la altitud a la que se conduce, la densidad del aire disminuye y, por tanto, disminuye el drag y el lift (o equivalentemente, el downforce).

Por otro lado, para el área del vehículo se toma como convención el área frontal del monoplaza, incluyendo las ruedas y los espejos en caso de que estén descubiertos. Por tanto, una reducción en el área al que se enfrenta el fluido supone una reducción del drag. Esta es la idea que se encuentra tras el famoso sistema del DRS (Drag Reduction System).

El parámetro que mayor influencia tiene en ambas fuerzas es la velocidad, que, como se puede observar, se encuentra elevada al cuadrado. Esto supone que, mientras que el efecto de la aerodinámica (tanto en la creación de drag como de downforce) puede ser despreciable a muy bajas velocidades, cuando el vehículo circula a altas velocidades, su efecto es muy importante.

Por último, el CD y el CL son dos coeficientes que dependen, entre otros parámetros, de la geometría del vehículo y de las condiciones del flujo (laminar, turbulento…). Por su importancia le dedicamos un artículo completo a su cálculo.


Referencias:

[1] Andy Blackmore Design. Tutorial: Vector car illustration walkthrough. Online: http://www.andyblackmoredesign.com/portfolio/vector-car-illustration/

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



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