Uno de los motivos que hace que el comportamiento aerodinámico de las ruedas de los monoplazas sea tan difícil de predecir es que se trata de un cuerpo en continua rotación. Ya vimos en el artículo anterior que el hecho de que esté en contacto con el suelo hace que cambie completamente su distribución de presiones. En este, sin embargo, vamos a centrarnos en su movimiento de giro.
Para ello, vamos a dividir el artículo en dos partes. En la primera de ellas, vamos a enseñaros qué es el efecto Magnus, que se produce cuando un cuerpo cilíndrico o esférico se encuentra rotando en el aire, sin entrar en contacto con ningún otro cuerpo. En la segunda parte, colocaremos de nuevo el cilindro apoyado sobre el suelo y veremos cómo afecta su giro.
El efecto Magnus
El efecto Magnus es un fenómeno que se da cuando un cuerpo rota en un campo fluido como el aire. Para explicarlo, nos vamos a apoyar de nuevo en imágenes obtenidas mediante simulación CFD. Partimos de la imagen que tenemos debajo, en la que el cilindro está quieto y recibe el flujo de aire que llega desde la izquierda.
Si hacemos que el cilindro comience a rotar sobre su propio eje en sentido antihorario (por ejemplo), obtenemos la siguiente distribución de velocidades:
Vamos a explicar por qué cambia la velocidad del aire alrededor del cilindro. Como éste se encuentra girando en sentido antihorario, la superficie superior del cuerpo arrastrará el aire hacia la izquierda, reduciendo la velocidad inicial del aire que le llegaba. Sin embargo, en la mitad inferior, el cilindro arrastra el aire hacia la derecha, lo que hace que se incremente esa velocidad. Para entenderlo fácilmente, podemos comparar el cilindro con una cinta transportadora. Si nosotros nos encontramos andando en un sentido sobre una cinta que va en el sentido opuesto (mitad superior del cilindro), la velocidad total que llevaremos será menor que si no estuviésemos sobre la cinta. Sin embargo, si vamos en la misma dirección que la cinta (mitad inferior), nuestra velocidad será mayor. Esto explica que la velocidad del aire en la mitad inferior sea más elevada que en la mitad superior.
En la imagen inferior se muestra el gráfico de vectores de velocidad. Se puede observar que alrededor del cilindro aparece un aro más denso que en la propia estela. Esto significa que el cilindro está, efectivamente, rotando en sentido antihorario y arrastrando al aire con este giro.
Se observa además en la misma imagen ampliada que el aire se despega mucho antes en la zona superior que en la inferior, lo que hace que la estela ya no sea simétrica.
Por el principio de Bernoulli, sabemos que la diferencia de velocidades entre la zona superior y la inferior tendrá consecuencias en su campo de presiones, como se muestra en la siguiente imagen. Se puede ver que en la zona inferior del cilindro aparece una región de depresión respecto a la zona superior. Esto se debe, como dice el principio de Bernoulli, a que cuando el fluido se acelera, ve disminuida su presión estática. Debido a la diferencia de presiones entre la mitad superior y la mitad inferior, aparecerá una fuerza vertical (lift) en sentido descendente que empujará al cilindro hacia abajo.
Este fenómeno es el conocido como efecto Magnus. Cuando un cuerpo rota sobre sí mismo, experimenta una fuerza que hace que cambie su dirección de movimiento. Este efecto se puede observar muy fácilmente en los deportes de balón, como es el fútbol. Cuando un jugador golpea el balón y lo hace rotar sobre sí mismo (lo que se conoce como “rosca”), el balón no seguirá una línea recta, sino que irá cambiando su dirección durante el vuelo. En el siguiente vídeo podéis ver un ejemplo de la aplicación de este efecto sobre un balón de baloncesto.
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Efecto de la rotación en contacto con el suelo
Una vez hemos demostrado que la rotación del cuerpo afecta a su comportamiento aerodinámico, vamos a estudiar qué ocurre cuando el cilindro (que representa a la rueda del monoplaza) está girando apoyado en el suelo.
En el caso del cilindro en estático teníamos la siguiente distribución de velocidades:
Si hacemos girar al cilindro de forma antihoraria, como si fuese un neumático que se desplaza hacia la izquierda, observamos pequeños cambios respecto al caso anterior. Si nos fijamos en la leyenda del valor de la velocidad, podemos ver que cuando el cilindro está en reposo, el aire alcanza una velocidad de hasta 2.49 m/s sobre él, mientras que cuando está girando, se queda en 2.38 m/s. Esto se debe de nuevo a que, en su mitad superior, el cilindro empuja al aire en sentido contrario a su movimiento original, lo que provoca que el fluido se frene.
Si observamos el gráfico de vectores de velocidad, podemos ver que en la parte superior el cilindro arrastra el aire hacia la izquierda y se opone al flujo que se movía de izquierda a derecha. Esto provoca además que el aire se despegue antes del cilindro y que la estela se eleve aún más.
¿Y qué efecto tiene este cambio en la estela sobre las fuerzas que sufre el cilindro o en el caso real, la rueda? En el caso de que el cilindro esté rotando, como hemos dicho, al despegarse antes el flujo de aire de su superficie, se crea una distribución de presiones bastante constante en la parte posterior del cuerpo. Esto, efectivamente, provoca la aparición de lift y drag como vimos en el artículo anterior.
Sin embargo, en el caso de que el cilindro esté quieto, hemos visto que el flujo se despega algo más tarde del cuerpo, y su velocidad en la parte superior es mayor, creando una zona de menor presión, lo que genera un mayor lift. Además, la distribución de presiones tras el cilindro es más negativa y, por tanto, se genera un mayor drag.
Resumiendo lo explicado anteriormente, aquí tenemos la conclusión más importante. La rueda de un monoplaza de carreras genera un menor drag y menor lift cuando está rotando que cuando está quieta.
Este fenómeno provoca que sea de vital importancia para los equipos simular adecuadamente el giro de los neumáticos en el túnel de viento y en la simulación CFD para obtener resultados realistas.
Referencias:
[1] How Ridiculous. (15 de Julio de 2015) What Happens When a Spinning Basketball is Thrown Off a Dam! [Archivo de vídeo]. Online: https://www.youtube.com/watch?v=QtP_bh2lMXc
Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.
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