Por qué los alerones de Fórmula 1 son multielemento y cómo afectan al monoplaza

Es así como poco a poco, gracias a un mejor entendimiento del porqué de ciertos sucesos, los alerones de los monoplazas pasaron de tener un solo componente a tener dos o más elementos (como ocurre en los alerones delanteros). Cabe destacar que estos avances en el campo de la aerodinámica se llevaron a cabo principalmente en el campo de la aviación. Es así como autores de la talla de Apollo M.O. Smith llegaron a publicar trabajos de un grandísimo interés.

En este artículo se va a tratar de explicar dicha publicación de una forma simple de manera que cualquiera pueda entender el porqué de los alerones multielementos y no solo uno. Para un mejor entendimiento de ésta explicación, primero vamos a describir una configuración “óptima” para un elemento aerodinámico cualquiera. En la siguiente imagen se puede observar dicha configuración. Para hacerlo simple, tan solo se va a representar tres elementos: el slat (el primer apéndice aerodinámico), el elemento principal y por último el flap.

El elemento “slat” es relevante en el mundo de la aviación y no tanto en el mundo del automovilismo de competición. Esto es así puesto que un avión trabaja en unos regímenes distintos al de un Fórmula 1.

Lo primero de todo es definir la diferencia entre flap y slat. Si bien ambos elementos buscan mejorar el rendimiento aerodinámico del perfil elegido, el elemento principal, la función de cada uno es distinta. Así pues, la primera diferencia entre el slat y el flap es su posición. Mientras que el slat se encuentra por delante del elemento principal, el flap se encuentra por detrás de éste.

Una segunda diferencia es su función principal. El slat modifica la forma del borde delantero del perfil aerodinámico al completo (elemento principal + slat). Gracias a esta modificación, el ángulo de pérdida se incrementa. Se entiende como ángulo de pérdida el ángulo de ataque del perfil (cuántos grados está girado respecto al aire que incide en éste) a partir del cual el flujo se separa y la carga aerodinámica generada se ve notablemente afectada (negativamente). Ahora bien, el flap principalmente incrementa la curvatura global del perfil. Gracias a este incremento en la curvatura (mayor camber) el perfil es capaz de generar una mayor carga aerodinámica, lift en el caso de un avión o downforce en el caso de un Fórmula 1.

Vistas las diferencias entre ambos elementos así como sus funciones, el slat no se emplea por normal general en la Fórmula 1 o en otra categoría puesto que no conlleva una ventaja en cuanto a la generación de downforce que es el objetivo principal de las alas empleadas en estos monoplazas. Además, en caso de instalar este elemento en los alerones el drag global se vería incrementado, lo cual no es un efecto deseado en este caso. Sin embargo, en el caso de los flaps, al aumentar el downforce generado con una penalización aceptable en cuanto al drag, éstos sí que se emplean. En trabajos que se dedican a estudiar el impacto de los flaps en el rendimiento de las alas se concluye con que a mayor número de flaps (ajustando tamaños y disposición), mayor carga aerodinámica es obtenida (tiene un efecto positivo). Sin embargo, por normativa de la FIA en la Fórmula 1 vemos un alerón trasero con un solo flap y un alerón delantero de hasta 3 flaps.

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Ahora bien, ¿por qué el tener una configuración con slat y flap es beneficiosa? ¿Por qué hay un gap entre cada elemento y no es uno solo? Bien, la respuesta a la segunda pregunta es un pico de succión menor en el borde delantero del elemento principal y el flap. Esto conlleva a que el flujo tenga una tendencia menor a separar, lo cual reduciría notablemente la carga aerodinámica generada y además incrementa el drag del perfil. En cuanto a la primera, con esta configuración un mayor ángulo de ataque es soportado por el perfil y por tanto una mayor carga aerodinámica es generada, lo cual en la aviación resulta muy beneficioso de cara a las condiciones de vuelo de un avión y en un Fórmula 1 por ejemplo, un downforce mayor, lo cual mejoraría el paso por curva del monoplaza.

Antes de continuar, vamos a definir lo que es “capa límite”. Éste término hace referencia al flujo que circula relativamente cerca de la pared del perfil aerodinámico, es decir, su superficie, y cuya velocidad es menor comparado con el flujo de aire lejos del elemento (velocidad “freestream”). La importancia de esta capa límite llega a tal punto que el rendimiento aerodinámico de cualquier perfil, incluidos los que forman el alerón de un Fórmula 1, depende de cómo evoluciona dicha capa de aire.

Slat

Los efectos de incluir un slat ya se han mencionado más arriba. Éstos se pueden resumir en un pico de succión menor que conlleva a un flujo que no separe bajo un mismo ángulo de ataque respecto al perfil sin slat, donde sí se separaría. Esto se conoce como el efecto slat o “slat effect” en inglés. De forma sencilla, de cara a un estudio teórico, el slat se puede representar como un vórtice con una dirección de giro como se representa en la siguiente imagen. De este modo, el pico de succión en el elemento principal es reducido, lo cual da lugar a un gradiente de presiones sobre la superficie superior mucho menos pronunciado.

En este punto, se ha de aclarar que al hablar de gradientes de presiones, se pueden distinguir dos principalmente, el favorable y el adverso. Aunque pueda parecer no intuitivo, el favorable hace referencia a un gradiente de presiones negativo, mientras que el adverso a uno positivo. Un tercer tipo sería aquel cuyo valor sería nulo, aunque dicho escenario es puntual. Así pues, en el caso mencionado en el párrafo anterior, el gradiente de presiones mencionado es positivo, es decir, adverso. Por lo tanto, cuanto más pronunciado, peor. Esto es así ya que según avanzamos de izquierda a derecha, este gradiente de presiones una vez pasado el pico de succión va incrementando, pasando de un valor negativo a uno positivo. En el caso de que el gradiente de presiones tenga un valor demasiado alto, el flujo de la capa límite no es capaz de resistirlo y se produce la separación del flujo. Esto tiene principalmente dos efectos negativos. Por un lado, al separarse, el drag total aumenta. Y por otro lado, el lift (o downforce) es menor. Por lo tanto, ambos sucesos llevan a un rendimiento más pobre del perfil/ala.

Gracias a colocar un slat delante del elemento principal, tal y como se ha mencionado antes, el pico de succión es menor. Esto conlleva a que el gradiente de presiones sea menor, por lo que a un mismo ángulo de incidencia donde en el caso de tener el perfil solo, el flujo separara, al añadir el slat, este se mantendría (siempre que el ángulo de incidencia no sea excesivo, claro). Por lo tanto, al añadir el slat, estamos logrando aumentar el ángulo límite previo a la separación. Si bien esto no es tan beneficioso en un Fórmula 1, en un avión le permite un mejor rendimiento a la hora de despegar y al aterrizar.

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Flap

En el caso del flap, a la hora de estudiar teóricamente, al igual que se ha hecho con el slat éste se podría reemplazar por un vórtice (ver imagen). El flujo que se encuentra en esa parte trasera tiene más de un efecto, pero el segundo de ellos que está relacionado con la capa límite se mencionará más adelante. Por ahora nos vamos a quedar con que tal y como se desarrolla el flujo, el cual sigue la dirección indicada en la imagen, la velocidad en esa parte trasera se ve acelerada. Esto provoca un aumento de la circulación total del perfíl. Esto quiere decir que el campo de velocidades en la parte superior se ve aumentada, lo cual repercute en que el ángulo de ataque efectivo del perfil es mayor y por lo tanto, mayor lift/downforce genera. Además, gracias a este aumento de circulación, el grosor de la capa límite en la parte trasera del perfil se reduce, lo que permite que ésta resista mejor el gradiente de presión adverso en dicha zona, por lo que la separación es pospuesta. También decir que el gradiente de presiones se ve reducido, puesto que al tener una velocidad mayor en la parte final del perfil estamos ayudando a que la presión a recuperar sea menor.

Otro efecto derivado de los perfiles aerodinámicos multielementos es la recuperación de la presión sin estar en contacto con el perfil aerodinámico, en inglés “off-surface pressure recovery”. Tal y como se ha explicado anteriormente, al colocar un flap detrás de un elemento principal, el flujo en la parte trasera de éste último se ve acelerado y llega al borde final con una mayor velocidad. Esto provoca que la presión recuperada es menor y que no se cumplen los requisitos en cuanto a recuperación de presión global. Sin embargo, cuando uno estudia el comportamiento del flujo con geometrías similares a las mostradas en el esquema de la primera imagen, esto no se observa. Esto es así porque el flujo es capaz de recuperar la presión de una manera mucho más rápida cuando deja de estar en contacto con la superficie del perfil. De este modo, la aceleración del flujo al colocar el flap es permitida y soportada aerodinámicamente hablando.

Por último, cuando se han llevado a cabo estudios como el ya mencionado en la introducción de este artículo, se ha observado un fenómeno que durante mucho tiempo no era obvio. Y es que al dejar un espacio entre el slat, el elemento principal y el flap (o flaps), estamos logrando que en cada elemento se desarrolle una capa límite nueva. Ésto es beneficioso, puesto en caso de tener una sola capa límite que fuera desde el slat al flap, al final de éste último elemento, ésta capa límite tendría un grosor excesivo que, dada la experiencia, tendería a la separación. Así pues, al poder tener una capa límite nueva cada uno de los elementos, el grosor de esta es menor, lo que ayuda a que más flujo se sitúe cerca de la superficie y que aguante de mejor manera el gradiente adverso que se genera, lo que ayuda a prevenir la separación. En la siguiente imagen se representa las distintas capas límites y cómo éstas se desarrollan alrededor de los distintos elementos.

Relacionando todo esto con la Fórmula 1, vemos que tanto el ala trasera como la delantera está conformada por un elemento principal y un flap en el caso del ala trasera y hasta tres flaps en cuanto al ala delantera. Gracias a los flaps, los ángulos de ataque a los que trabajan los flaps pueden ser mayores y por lo tanto, se logra una mayor downforce. Esto ayuda a mejorar el equilibrio del monoplaza y por ende, mejorar el rendimiento del mismo. Por último, aunque en la Fórmula 1 no se empleen tecnologías como las del slat, ésta sirve para ejemplificar cómo no solo lo que se ve en competiciones como la Fórmula 1 o similares es lo único en el mundo de la aerodinámica sino que éste es muy extenso y aplicable a múltiples situaciones del mundo real.