El efecto aerodinámico de las ruedas de los monoplazas es difícil de estudiar y de modelar. Sin embargo, es imprescindible tratar de conocerlo con la mayor precisión posible. Por eso, hemos analizado en los dos artículos previos un caso simplificado, en el que la rueda es representada por un cilindro. En el primero de ellos mostramos qué ocurre cuando la rueda está apoyada sobre el suelo, mientras que en el segundo, estudiamos el efecto de su giro.
En esta última entrega vamos a explicar el comportamiento real de las ruedas. Para ello, se debe tener en cuenta el comportamiento de su material, la interacción con los demás elementos y, por último, las dificultades que nos encontramos al simular su comportamiento.
Comportamiento aerodinámico de las ruedas
Las ruedas en rotación generan tres parejas de vórtices principales que afectan al aire que las rodea. La primera de las parejas, que es la que mayor intensidad de vórtice presenta, aparece en la estela del neumático y se desplaza hacia la parte trasera del monoplaza según avanza el vehículo. A estos vórtices se les conoce como vórtices de herradura, por su peculiar forma.
La segunda de las parejas forma un aro cerrado en la parte superior de la estela del neumático. Por último, la tercera pareja tiene su origen en la burbuja de recirculación que se genera entre la parte delantera del neumático y el suelo. Según avanza el vehículo, esta burbuja de recirculación tiende a escapar rodeando las paredes laterales del neumático. De esta forma, tenemos un vórtice a cada lado de la rueda, que se mantienen pegados al suelo. Cuando entra en contacto con la primera pareja de vórtices, desaparece, debido a su menor intensidad.
Uno de los principales problemas que aparecen a la hora de caracterizar estos vórtices es el comportamiento de los neumáticos. Estos, al estar fabricados de material elástico, se deforman durante su funcionamiento. La causa principal es las altas fuerzas laterales que sufren en su contacto con el asfalto, especialmente en las curvas de alta velocidad. Dichas deformaciones provocan que, a lo largo de una vuelta al circuito, se den numerosas situaciones en las que los vórtices no se comporten exactamente como se esperaba.
Por último, las llantas también tienen una fuerte influencia en la aerodinámica general del monoplaza. Sus radios actúan de forma parecida a las aspas de un ventilador, y dotan al aire de una mayor energía de rotación.
Interacción con el resto del monoplaza
Las ruedas, al igual que el resto de piezas del vehículo, no se pueden estudiar de forma aislada. Es fundamental tener en cuenta el efecto que tienen sobre el resto de las partes del monoplaza. Para ello, vamos a hacer un breve repaso desde la parte delantera hasta el final del vehículo.
Como ya se mencionó en el artículo sobre el funcionamiento del alerón delantero, éste se trata de un elemento de vital importancia para reducir el efecto negativo de las ruedas. En primer lugar, el alerón genera outwash, es decir, empuja el aire hacia fuera, para evitar que entre en contacto con las ruedas y el resto de elementos de la suspensión. Además, mediante el empleo de los endplates se genera otro par de vórtices. La función de dichos vórtices es rodear el neumático por sus caras laterales y energizar las zonas de recirculación. De esta forma, se consigue reducir las pérdidas por drag de forma y, en definitiva, la resistencia al avance. También encontramos otra serie de vórtices que se dirigen entre las barras de la suspensión, evitando al máximo posible su interferencia negativa.
Sin embargo, estos vórtices creados por los endplates (vórtices de punta) pueden tener un efecto negativo en la entrada de la refrigeración. Es por tanto imprescindible encontrar el posicionamiento adecuado, de forma que reduzcan la zona de depresión generada por la rueda y no afecten con su elevada energía turbulenta a la entrada de los radiadores. Además, podrían llegar a interactuar con el alerón trasero, provocando una pérdida de downforce en el monoplaza.
Con la misma función de “rellenar” de aire con mayor energía la estela de la rueda y reducir así el drag, se emplean los turning vanes. Estos turning vanes son placas de geometría curvada que se colocan entre la cara interior del neumático y el morro y reconducen el aire hacia la zona trasera de la rueda.
Por último, los neumáticos traseros también influyen en el funcionamiento del fondo plano y el difusor. El aire, especialmente turbulento tras las ruedas traseras, puede interactuar con el final del suelo del monoplaza, alejando al difusor de sus condiciones óptimas de funcionamiento. Para evitarlo, se debe aprovechar la forma de la zona final de los pontones. Además, entre los elementos de la suspensión, se colocan pequeños elementos aerodinámicos.
Modelado y simulación de las ruedas
Como ya comentamos en los artículos sobre el túnel de viento y la simulación CFD, el modelado del funcionamiento de las ruedas es complejo.
Por un lado, se debe conseguir hacer girar la rueda. En el túnel de viento, esto se lleva a cabo mediante una especie de cintas transportadoras sobre las que se sitúa el modelo del monoplaza. En el caso de la simulación CFD, se emplean métodos de movimiento de la malla generada o distintas condiciones de contorno.
Sin embargo, hay otros dos factores mucho más difíciles de simular. El primero de ellos, que ya hemos mencionado anteriormente, es la deformación del neumático, tanto del área de contacto con el suelo, que depende de muchos factores, como de la deformación de la carcasa.
Finalmente, el último de los factores que vamos a mencionar, es el deslizamiento del neumático sobre el asfalto, que, de nuevo, aleja el comportamiento aerodinámico de la rueda de lo esperado en el caso ideal.
Referencias:
[1] Formula 1, (5 de febrero de 2019). Pirelli reveal tyre markings for 2019 testing compounds. Online: https://www.formula1.com/en/latest/article.pirelli-reveal-tyre-markings-for-2019-testing-compounds.U32qSAUWN4TjyN6kCMZWr.html
[2] Coch, M., (11 de diciembre de 2019). Teams reject 2020 F1 tyres with unanimous vote. Online: https://www.speedcafe.com/2019/12/11/teams-reject-2020-f1-tyres-with-unanimous-vote/
[3] Formula 1, (16 de octubre de 2019). New Williams front wing should unlock potential for 2020 – Kubika. Online: https://www.formula1.com/en/latest/article.new-williams-front-wing-should-unlock-potential-for-2020-kubica.1iWPMk4o9ZB58uwWKy2CXK.html
[4] Sommerfield, M., (27 de febrero de 2020). Análisis: ¿qué hay detrás de la aerodinámica de Red Bull? Online: https://es.motorsport.com/f1/news/analisis-aerodinamica-red-bull-tecnica-australia/4698537/
Katz, J., (1995). Race Car Aerodynamics: Designing for Speed, Cambridge, USA, Bentley Publishers.
Newey, A., (2017). How to build a car, Londres, Reino Unido, Harper Collins Publishers.
Schütz, T., (2013). Hucho – Aerodynamik des Automobils. Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik, Komfort, Munich, Alemania, Springer Vieweg.
F1 Tech Blog, (2019). Aerodynamics of an F1 wheel. Online: https://drivetribe.com/p/aerodynamics-of-an-f1-wheel-UtKr9Px0SIu6XHWuKOL-kA?iid=OqcDlZmBTXql0W-Gi_-gJg
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