En el artículo previo sobre los perfiles aerodinámicos ya os explicamos cómo funcionan los distintos cuerpos que forman las piezas del paquete aerodinámico de los monoplazas. En este artículo, sin embargo, vamos a explicar cómo se diseñan y cuáles son los parámetros más importantes que definen sus características.
Para ello es necesario conocer las variables principales, con las que se determinan y clasifican las distintas familias de perfiles aerodinámicos. Cada una de estas familias define una determinada geometría característica y su aplicación.
En la siguiente imagen tenemos un esquema de un perfil aerodinámico que generará sustentación o lift. Podría ser empleado, por tanto, en aplicaciones tales como las alas de los aviones. Para extrapolar su funcionamiento al de un monoplaza de Fórmula 1, simplemente habría que voltearlo e intercambiar las superficie superior e inferior.
Vamos a analizar ahora cada una de estas variables:
- Borde de ataque: Es el primer punto del perfil en entrar en contacto con el viento incidente en ángulos relativamente normales. En este punto, generalmente, se producen zonas de altas presiones y bajas o nulas velocidades. Será, por tanto, un punto de estancamiento (P=Pmax, V=0).
- Borde de fuga: Se trata del punto más alejado del borde de ataque. En él, cuando tenemos un flujo totalmente adherido al perfil, se unirá de nuevo el que circulaba por la superficie inferior con el de la superficie superior. En ocasiones será interesante retrasar esta unión para conseguir un mayor downforce, como en el caso del flap Gurney.
- Cuerda: La cuerda es la longitud de la línea recta que une el inicio y el fin del perfil, (o borde de ataque y de fuga). La cuerda se emplea para caracterizar el flujo mediante el número de Reynolds.
- Línea de curvatura media: Representa la sucesión de puntos ubicados en la coordenada central respecto del espesor del perfil. Un perfil sólo será simétrico si su línea de curvatura y su cuerda coinciden.
- Ángulo de ataque: Aunque no se trata de una variable del perfil, sino del flujo de aire, es de vital importancia. Se trata del ángulo que forma el viento incidente respecto a la cuerda del perfil.
Este tipo de perfiles son normados, lo que permite un diseño paramétrico de los mismos. Esto significa que, asignando valores numéricos a las variables mencionadas, se puede obtener su gráfica punto a punto. Es decir, dando valores a los distintos parámetros de la función matemática, se consiguen las coordenadas de todos sus puntos. Con estas coordenadas, se puede trabajar con el perfil en programas de diseño asistido por ordenador (CAD) y de fabricación de modelos mediante impresión 3D.
Ahora que conocemos cuáles son los parámetros o variables principales, podemos centrarnos en qué pretendemos obtener de dichos perfiles. Recordamos que su objetivo principal es el de producir cargas aerodinámicas verticales negativas (descendentes), empleando la configuración que reduzca la pérdida de potencia debido a la resistencia aerodinámica al avance. Por tanto, la premisa de selección del diseño o la forma de un perfil alar es escoger el que mayor rendimiento aerodinámico obtiene para el ángulo de ataque máximo permitido por la normativa vigente. ¿Qué es el rendimiento aerodinámico? Simplemente el cociente entre la carga aerodinámica generada y la resistencia aerodinámica al avance. Es decir, downforce/drag. Además, es importante que el perfil que se emplee permita realizar una serie de modificaciones de ángulos de ataque para los distintos circuitos del calendario.
Vamos a dar un paso más en la explicación. Como comentamos en el artículo sobre las fuerzas aerodinámicas, los números o coeficientes adimensionales Cd y Cl permiten cuantificar el downforce y el drag. Al adoptar distintos ángulos de ataque, las fuerzas que sufre el perfil cambian y, por tanto, también lo hacen ambos coeficientes.
Este último dato implica que el rendimiento aerodinámico no sólo se puede expresar como downforce/drag, sino también como Cl/Cd. Este rendimiento es, por tanto, función del ángulo de ataque y de las condiciones del flujo de aire incidente respecto a las dimensiones del perfil analizado. En la gráfica superior de la siguiente figura podemos ver que el rendimiento aerodinámico del perfil varía según la velocidad del viento incidente. En la segunda, dicho rendimiento varía en función del ángulo de ataque. ¿Qué quiere decir esto? Es muy sencillo. Existe una velocidad y un ángulo de ataque que hacen que dicho rendimiento sea máximo.
En el próximo artículo aplicamos estos conceptos para explicar el diseño del alerón delantero de los monoplazas de 2020.
Referencias:
[1] Wikimedia Commons, (19 de abril de 2011). Wing profile nomenclature. Online: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wing_profile_nomenclature.svg
[2] Anderson, J. (2016). Fundamentals of Aerodynamics, McGraw Hill Education
FIA, Regulations. Online: https://www.fia.com/regulation/category/110
Wikipedia, (12 de junio de 2020). NACA airfoil. Online: https://en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil
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