Por Timoteo Briet Blanes – Turbulencia Research Engineering


En el último Gran Premio de F1 de Turquía del 2006, se observó que Ferrari, colocaba cierto dispositivo sobre las llantas de las ruedas traseras. Según la Normativa de la FIA, está totalmente prohibido, el uso de todo tipo de aditamentos a las ruedas, y menos que tengan influencia aerodinámica de cualquier clase o medida.

  • Article 3.15 de la “FIA Formula 1 Technical Regulations 2006, state that all parts of the car must be rigidly secured to the entirely sprung part of the car” y “must remain immobile in relation to the sprung part of the car”.

Ferrari afirma que únicamente ha colocado este sistema, para mejorar la refrigeración de los frenos, extrayendo el aire caliente de los mismos, con mayor eficiencia.La controversia radica justamente ahí: si este dispositivo que Ferrari ha usado, posee también, algún tipo de influencia aerodinámica. En este pequeño trabajo, veremos en qué modo afecta a la aerodinámica este dispositivo, además de cuantificar la posible pérdida o ganancia que se consigue, en términos de eficiencia o resistencia.

Muchos equipos, incluso esta misma temporada, han instalado cosas parecidas:

Pero Ferrari, ha ido más allá:

Resistencia de una rueda:

El objetivo básico de una rueda, es lógicamente, la adherencia con el asfalto, de tal forma, que se consiga la máxima transmisión de potencia por parte del motor (eficiencia alta).
Partiendo de este premisa, su desarrollo implica diversos problemas que hay que mitigar, aunque es imposible eliminarlos por completo. Veamos cada uno de ellos por separado.

— Fricción con el asfalto:

Es función de las propias características del asfalto y del neumático. Al depender del neumático o zona de contacto con el asfalto, depende directamente de las propiedades del contexto, tales como temperatura del aire y del asfalto, humedad, agua o cualquier otro tipo de fluido sobre la pista, tipo de compuesto, setup y algún otro elemento menos importante.
Esta resistencia siempre va a existir, y tan sólo se puede atacar modificando y estudiando los compuestos de las gomas y el setup del coche. Muy a menudo, aumentar esta fricción no sólo es conveniente si no necesaria. Generar mayor agarre permite por ejemplo aumentar la velocidad de paso por curva y por tanto reducir el tiempo de paso…. De hecho, la fricción o adherencia con el asfalto, es la clave en las carreras. El controvertido Mass-Damper, también actuaba en la misma línea intentando mantener el agarre constante durante fases transitorias.

— Fricción aerodinámica:

Es función de la rugosidad de la goma del neumático y del asfalto, y de las características del aire; todas estas propiedades, a su vez, como ya hemos visto, dependen de la temperatura, humedad, etc. En ensayos en Túneles de Viento antes de una carrera, se intentan simular todas las condiciones de dicha carrera. Incluso, simulando la rugosidad del asfalto donde se vaya a competir.

Por otro lado, señalar que al encontrarse las ruedas en rotación, existe otro fenómeno que interviene directamente sobre la resistencia por fricción, que es el Efecto Magnus. Este fenómeno implica una alteración en la capa límite del aire, afectando directamente a la fricción.

Esta resistencia, siempre va a existir, en mayor o menor medida, y sólo se puede atacar estudiando la rugosidad de las gomas, e intentando que no exista “demasiado” flujo de aire en contacto con las ruedas.

— Forma:

Se trata de una resistencia debida a la propia forma de la rueda; es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad, a la densidad del aire y al área; el factor de proporcionalidad, la da un coeficiente llamado coeficiente de resistencia “CD”:

Este coeficiente de resistencia, depende básicamente, de la forma que tenga la rueda, pero también de las características del material.
Lógicamente por tanto, poca cosa se puede hacer respecto esta fuerza, si no es desviar “adecuadamente” el flujo sobre las ruedas.

— Turbulencias / Baja presión o depresión:

Es la resistencia causada por la formación de vórtices, torbellinos, turbulencias en general. En el caso de ruedas no lenticulares, la cavidad de las llantas, originan turbulencias, que a su vez, originen resistencia.
Por otro lado, también toda rueda produce turbulencias, en su estela; cuanto mayores sean éstas, mayor resistencia producirá la rueda.

— Refrigeración:

Aquí está la clave de todo el dispositivo Ferrari. En cualquier coche de F1, las tomas de refrigeración delanteras están muy visibles, y el aire que se introduce en ellas, es “limpio”:

No ocurre lo mismo en las tomas traseras, que están “escondidas”, y cuyo flujo entrante, es “sucio” y turbulento; de ahí que la refrigeración de los frenos traseros, sea una cuestión compleja:

En primer lugar, veamos si la colocación de este dispositivo por parte de Ferrari, introduce alguna ventaja aerodinámica, obviando la refrigeración de los frenos. Para realizar en ensayos aerodinámico pertinente, emplearemos dos ruedas. En primer lugar realizaremos el estudio sobre la rueda trasera de un F3, para posteriormente realizar dicho estudio sobre la misma rueda pero haciéndola lenticular por ambas caras. El estudio consistirá en una simulación CFD con los siguientes datos:

Velocidad de las ruedas: 250 km/h
Temperatura del aire: 25º C
Tiempo de cálculo real: 0.019 segundos (es poco, pero la tendencia se mantendrá).

Veamos el campo de presiones:

Veamos el campo de velocidades:

 

Los datos numéricos de ambas ruedas son los que se presentan en la siguiente tabla:

Lenticulares (Final step 0.019 seg.) No lenticulares (Final step 0.019 seg.)
Pressure Forces PFx 161.36 PFy -1.268 PFz -1.3185 PFx 183 PFy 18.736 PFz -1.340
Pressure Moments PMx -7.794 PMy 131.31 PMz -1072.9 PMx -21.2 PMy 147.7 PMz -789.5
Total Forces 162.21 -1.2649 -0.59723 183.75 18.738 -0.68609
Total Moments -3.0484 126.32 -1078.5 -17.857 143.16 -793.41

**** RUEDAS LENTICULARES: (Final step 0.019 seg.)

**** RUEDAS NO LENTICULARES: (Final step 0.019 seg.)

Si observamos los datos, veremos que las ruedas lenticulares ofrecen aproximadamente un 8% menos de resistencia que las ruedas sin lenticular (162 frente a 183); lo cual es bastante apreciable; estamos hablando que en términos totales del coche, la resistencia se reduce en torno a un 3 %, lo cual, también es significativo.

De todas formas, la cuestión no es tan fácil: desde un principio, Ferrari argumentó su instalación, diciendo que el dispositivo generaba mayor refrigeración de los frenos:

Veamos 2 modelos diferentes de actuación, en cuanto a refrigeración:

  • Modelo A: Por la toma de aire “interior” de la rueda trasera, se introduce aire a determinada velocidad y presión; lógicamente, al estar la toma “escondida”, está colocada de manera que recibe la mayor cantidad de aire posible a la presión requerida. Según el dispositivo Ferrari, se aprecian como álabes de un ventilador; podría interpretarse de un fan axial:

Por tanto, nos inducen a pensar, que “ayudan” al aire caliente que ha pasado por los frenos, a salir y a disipar el calor:

La tendencia “natural” del flujo, es ir de dentro hacia fuera, puesto que en la parte exterior, siempre hay menos presión que en la parte interior.

Cuanta mayor es la velocidad, mayor caudal han de extraer:

De todas formas, esta ayuda a la extracción y disipación de calor, también comporta una pérdida de potencia (aumento de fricción, desviación del flujo, etc); la potencia depende del cubo de la velocidad, con lo que dicho así, haciendo las cálculos pertinentes y necesarios (conociendo la eficiencia de las aspas mencionadas y demás datos), podemos conocer la pérdida de potencia debida a esta ayuda a la extracción.

Sería posible encontrarnos con la sorpresa, que la pérdida de potencia debida a esta “ayuda” sea mayor que la reducción de resistencia aerodinámica, debida al carenado de la cara exterior de la rueda…. Pero también nos podríamos encontrar que Ferrari gana velocidad punta, ya que es posible que se gane en eficiencia al alterar o variar el flujo de refrigeración, y esta ganancia o mejora, sea mayor que la pérdida aerodinámica.

  • B: Observando las “aspas” del dispositivo (o al menos lo que parecen aspas….), y según la teoría de mecánica de fluidos “tradicional”, se trata de un ventilador o fan centrífugo; de esta forma, el aire no saldría por el orificio central que se observa en la llanta, si no que estaría entrando ¡¡¡¡.
    Ello sería compatible con el hecho de que Ferrari:

1. Ha suprimido las tomas interiores de refrigeración, o las ha sustituido por otro “sistema”, quizás también centrífugo.

2. No las ha suprimido.

Caso de que no las haya suprimido, fijémonos en lo siguiente: si la toma interior existe, el aire se introducirá en ella; a altas velocidades, el fan centrífugo introducirá gran cantidad de aire, de tal forma, que es posible que el balance sea positivo hacia el exterior o hacia en interior, pero en poca medida; ello, comportaría que los frenos se refrigerarían menos a grandes velocidades (en recta por ejemplo) y más en curva; ello, convertiría a este sistema en un sistema muy aceptable, por cuanto se conservaría el calor de los discos, para ser aprovechados “convenientemente”; uno de los inconvenientes que siempre existen en circuitos con grandes rectas, es justamente ese: que los discos se enfrían en demasía, para que trabajen bien al final de recta, en curva o cuando sea necesario.Conclusiones:

Como se ha podido comprobar, todo son especulaciones e hipótesis de lo que podría ser y comportarse. No tenemos el dispositivo en cuestión en nuestras manos, con lo que otra cosa, no es posible.
Con todo lo dicho, es posible que Ferrari pierda resistencia aerodinámica, y por tanto gane velocidad punta, pero también es posible que incluso hasta pierda velocidad punta; todo dependerá del balance entre la potencia que se gana y la que se pierde.

De todas formas, también hemos apuntado y esbozado un nuevo sistema de refrigeración, que al menos a primera vista, parece viable.

Como conclusión diremos, que en términos de eficiencia de refrigeración, Ferrari ha acertado con la instalación de este dispositivo, y en cierta forma, prefiere esto, a aumentar la velocidad punta; de todas formas, es posible que incluso, ésta aumente.

Las posibilidades, como hemos visto, son muchas y muy variadas. En resumen, si atendemos simplemente a cuestiones de carenado del hueco de las llantas, la resistencia se reduce considerablemente; pero no hay que perder de vista, que la refrigeración de los frenos es fundamental.

Como se ha podido comprobar, todo son especulaciones e hipótesis de lo que podría ser y comportarse. No tenemos el dispositivo en cuestión en nuestras manos, con lo que otra cosa, no es posible. cambi

Reseña sobre el autor: Timoteo Briet Blanes, Licenciado en Matemáticas y Doctor Ingeniero Industrial; Profesor Universitario de Mecánica de Fluidos y Aerodinámica; Especialidad en Simulación CFD y Aerodinámica; Gerente de “Turbulencia Research Engineering”; Ingeniero Aerodinámico de GP2 y F3, Director del departamento de CFD de Turbulencia Research Engineering, ha trabajado con diversos Equipos de Competición: Campeonato del Mundo de Motos de 125 y 250 cc, Fórmula 3, Fórmula GT, Renault Mégane Trophy, Diseño de Camiones y Autocares, Diseño de Cascos de Veleros para la Copa América de vela, Elementos Aerodinámicos de Automóviles, Cascos de Competición, Diseño de Aeronaves, Energías Eólica, Térmica y Mareomotriz, Aerodinámica Industrial, Diseño, Fabricación, Instalación y Puesta en Marcha de Túneles de Viento, etc. Posee diversas patentes relativas al mundo de la aerodinámica, así como numerosas Investigaciones al respecto.

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Extraido de TheF1.com y publicado con el permiso del Doctor Timoteo Briet Blanes de  Turbulencia Research Engineering