Cómo funciona un alerón de Fórmula 1

Perfil aerodinámico de un alerón

A la hora de diseñar un alerón, la sección del perfil del ala que se utiliza es de gran importancia. Las dimensiones y la forma de este perfil determinan las características del alerón. Las distintas partes de un perfil aerodinámico y los diferentes parámetros que se pueden ajustar son los siguientes:

• Borde de ataque: es el borde frontal del perfil aerodinámico, generalmente redondeado para permitir que el ala tenga un rango de ángulos de ataque más amplio.

• Borde de salida: es el borde trasero del perfil aerodinámico, con una forma puntiaguda y afilada para reducir la resistencia inducida por el ala.

• Línea de cuerda: es la línea imaginaria que une el borde de ataque con el borde de salida y representa la dimensión de cuerda del ala.

• Curvatura o camber: es la curvatura que presenta la superficie inferior del perfil aerodinámico, lo que influye en las características del ala. Al cambiar este parámetro se puede modificar la sustentación y el arrastre del ala.

• Ángulo de ataque: es el ángulo entre la dirección del flujo de aire que incide sobre el ala y la línea de cuerda. En el caso del alerón delantero, se suele tomar el suelo como referencia para facilitar la medición de este ángulo.

Una característica de los perfiles aerodinámicos es su forma asimétrica, donde la superficie inferior del ala presenta una mayor curvatura que la superficie superior. Esto se debe al principio de Bernoulli, que establece que si se aumenta la velocidad del fluido en una sección, la presión disminuye, y viceversa. Así pues, en un ala, al presentar la superficie inferior una mayor curvatura, el aire que transcurre por ella tiene que aumentar su velocidad para llegar al borde de salida, a la par que el aire que transcurre por la parte superior. Esto se traduce en una zona de baja presión en la superficie inferior, que genera una fuerza hacia abajo conocida como downforce, mientras que la superficie superior experimenta una zona de alta presión.

Es importante tener en cuenta que estos parámetros se explican en el contexto del efecto que tienen sobre un elemento de ala, que es el caso más simple. En la práctica, los perfiles aerodinámicos son más complejos y se combinan con otras características para optimizar el rendimiento de los alerones.

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Ángulo de ataque

A medida que el ángulo de ataque incrementa, aumenta el efecto de succión y, por ende, el downforce

Cuando se trata de ajustar los parámetros de un alerón, el ángulo de ataque es el más sencillo de modificar, ya que cambiar los demás parámetros requeriría un rediseño completo del perfil del ala o incluso la fabricación de uno nuevo. Así pues, dada la forma asimétrica de los perfiles aerodinámicos, un alerón a 0º de ángulo de ataque es capaz de generar downforce. A medida que el ángulo de ataque se ve incrementado, el flujo de aire que pasa por la parte inferior del alerón se acelera, lo que aumenta la velocidad del flujo y reduce la presión a lo largo de esta superficie. Esto aumenta el efecto succión y, por lo tanto, el downforce generado por el alerón.

Dado lo anterior, puede parecer simple pensar que a medida que aumenta el ángulo de ataque, también aumenta la carga generada por el alerón. Sin embargo, en realidad existe un ángulo límite a partir del cual el alerón comienza a perder eficacia y generar menos carga. Esto se debe a que al aumentar el ángulo de ataque, también aumenta la separación del flujo que incide en la parte final del perfil. Aunque con ángulos pequeños (hasta unos 5 grados como máximo) esto no sucede, a medida que el ángulo aumenta, también aumenta la separación del flujo.

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Este efecto de separación del flujo es negativo, pues la superficie efectiva (superficie en la que tiene efecto el flujo) del perfil aerodinámico se ve reducida. Si bien en valores no mayores al ángulo máximo solo aumenta el drag inducido por el ala, en ángulos mayores al máximo provoca que el área donde se genera la carga se vea reducida y, por ende, el alerón pierde efectividad.

El valor del ángulo máximo varía de un equipo a otro, ya no solo debido al diseño del propio alerón y sus perfiles, sino también al paquete aerodinámico completo. A la hora de elegir la mejor configuración de un alerón delantero, por ejemplo, puede resultar que la configuración de mayor carga no sea la óptima, porque compromete el flujo a lo largo del resto del monoplaza y sea preciso emplear un ángulo menor. Esto se puede ver en las distintas configuraciones empleadas por los equipos y el por qué cada una difiere del resto.

El grupo de cuatro imágenes siguiente muestra cómo varía la distribución de presiones alrededor de un perfil aerodinámico al variar el ángulo de ataque. Las imágenes de la izquierda muestran la distribución de presiones. El círculo negro destaca la zona de succión. En ambos casos de 0 y 15 grados de ángulo de ataque, se puede apreciar que en la superficie superior tiene una mayor presión que la superficie inferior. El efecto al aumentar el ángulo es muy notable, puesto que en el caso de un ángulo de ataque de 15 grados el punto de estancamiento pasa de estar entre la superficie superior e inferior a estar en la superficie superior (el punto de estancamiento se aprecia en la zona más roja que es la que mayor presión muestra). Además, en la superficie inferior se puede ver como la zona de succión pasa de estar en el centro a desplazarse a la parte delantera. Además de ese cambio de localización, se puede ver como en el caso del ángulo de ataque más extremo, la diferencia de presión entre una superficie y otra es mayor, siendo el efecto de succión mucho mayor en el caso de 15 grados de ángulo de ataque.

En las imágenes de la derecha se muestra la distribución de velocidades alrededor del perfil. Tal y como se ha mencionado anteriormente, debido a la curvatura de la superficie inferior, en ambos casos se acelera el flujo en dicha zona (cuanto más rojo mayor es la velocidad del flujo en ese punto). Además, en la parte final del perfil se destaca en rojo la separación del flujo. Analizando las velocidades, se puede apreciar como, al separarse de la superficie, el flujo deja de ser acelerado y ve reducida su velocidad. Así pues, si en el caso de 0 grados de ángulo de ataque esto no pasa o apenas se ve separación, cuando el perfil toma una configuración de 15 grados de ángulo de ataque, el flujo comienza a separarse cerca de la zona media del ala.

Camber

Cuanto más pronunciada la curvatura de una superficie, mayor es el efecto de succión

Modificar el parámetro de camber de un perfil aerodinámico conlleva un rediseño del mismo y el volver a fabricar tal perfil. No obstante, de acuerdo a los distintos estudios que se han llevado a cabo, modificando este parámetro se consigue cambiar el rendimiento del perfil aerodinámico y, por ende, el del alerón.

En los múltiples estudios sobre el tema, tomando un perfil aerodinámico en un ángulo de ataque en concreto, se ha observado que a mayor camber, mayor downforce se genera. Esto se debe a que la superficie, al presentar una curvatura más pronunciada, consigue un flujo más acelerado y, por tanto, un efecto de succión mayor.

Pese a que a mayor curvatura mayor downforce se genera, al igual que ocurre con el ángulo de ataque, si esta curvatura es muy pronunciada, la carga aerodinámica en vez de aumentar, disminuye. Esto ocurre puesto que cuanto mayor camber o curvatura presenta un perfil aerodinámico, antes se separa el flujo. Por ello, en el caso de la Fórmula 1 cada equipo tiene su diseño propio en función de la filosofía de diseño que siguen.

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Espesor máximo

Cuanto mayor espesor, mayor carga aerodinámica se genera

Otro parámetro que afecta al rendimiento de un alerón es el espesor máximo de sus perfiles. El espesor máximo que acepta un perfil depende del ángulo de ataque. Cuanto más bajo es el ángulo de ataque (no mayores a 4º), a mayor espesor (hasta un 24% del valor de la cuerda del perfil aerodinámico), mayor es el downforce generado. En cuanto a ángulos medios y altos, el valor más alto de downforce se logra obtener para espesores de entre el 16 y 20% del valor de la cuerda del perfil.

Con el espesor, al igual que ocurre con el ángulo de ataque y con la curvatura del perfil, cuanta mayor carga se genera mayor es el drag del perfil y, por consiguiente, del alerón. Por ello, para elegir el espesor óptimo hay que encontrar un balance entre el downforce generado y el drag del perfil. Así pues, cuando se analiza los datos donde se emplean perfiles de uso común, se observa que el espesor más óptimo tanto para ángulos bajos y medio se encuentra en torno a un 16% del valor de la cuerda del perfil. En el caso de ángulos más altos, este espesor óptimo se encontraría en torno al 20% del valor de la cuerda del perfil.

Radio del borde de ataque

El radio del borde de ataque es definido por el resto de parámetros, puesto que dada la curvatura del perfil y el espesor máximo deseado, el radio del borde de ataque no tiene mucho margen de variación. En lo referido a la Fórmula 1, los primeros alerones delanteros montaban perfiles con un borde de ataque grueso y redondeado. Sin embargo, esto no es tan común hoy en día. A medida que se han ido desarrollando tecnologías que permiten el estudio del comportamiento del flujo, los bordes de ataque de los alerones han ido evolucionando a formas más afiladas. Esto es así puesto que si se orienta adecuadamente el perfil, un borde de ataque fino permite una mayor eficiencia del alerón.

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Alerones en la Fórmula 1

Lo descrito hasta ahora es referido a un alerón con un solo elemento. No obstante, en la mayoría de competiciones automovilísticas, como la propia Fórmula 1, los equipos emplean alerones con múltiples elementos, llamados flaps (ejemplo en la imagen de abajo). Esto se hace puesto que este tipo de alerones logran generar una carga aerodinámica notablemente mayor respecto a los alerones de un solo elemento.

A la hora de diseñar un alerón multielemento se siguen aplicando gran parte de los parámetros ya mencionados para un aleron de un solo elemento. En el caso de los alerones multielemento se añade un nuevo parámetro, que es la localización de los flaps respecto al elemento principal. Para que los flaps tengan un efecto positivo, se requiere que estos se sitúen sobre el elemento principal en su borde de salida dejando además un espacio entre ellos.

En el caso de un alerón con un flap, según los libros de texto, el espacio óptimo entre el elemento principal y el flap es de 1-2% del valor de la cuerda total del alerón (línea que une el borde de ataque del elemento principal con el borde de salida del flap) y con el borde de ataque del flap situado sobre el elemento principal a una distancia del borde de salida del 1-4% de la cuerda total del alerón. No obstante, en experimentos llevados a cabo estos valores han llegado a variar sugiriendo que los valores óptimos serían 3,8% y 5,2% el valor de la cuerda, respectivamente.

Lo que se logra con un alerón multielemento es que gracias al espacio entre los flaps y el elemento principal, el flujo alrededor del mainplane se vea acelerado tanto en la parte superior como en la inferior, aumentando así la zona de succión, lo que conlleva una mayor carga aerodinámica generada, y permitiendo que este elemento pueda tomar ángulos de ataque más agresivos sin que ocurra una separación de flujo que afecte negativamente. A todo esto, se le añade la carga aerodinámica que genera el propio flap. Dado estos beneficios, es normal ver que los diseños de los alerones de la Fórmula 1 sigan diseños de este estilo siguiendo siempre la reglamentación vigente en cada temporada.