La aplicación de la aerodinámica en el diseño de carreras sólo ha surgido en los últimos 20 años. En la década de 1960, el equipo de F1 se dio cuenta de que instalar paneles de ala y otros componentes del spoiler en diferentes partes de la carrocería podía aumentar efectivamente la velocidad del auto en las curvas. Sin embargo, debido a la falta de orientación teórica en ese momento, el equipo no tenía un concepto formal de dónde debían instalarse estas alas, qué tan grande debía ser el área del ala y cuál debía ser el ángulo. Todo el mundo está constantemente explorando e intentando. Sumado a la tecnología de procesamiento inmadura en ese momento, hubo muchos ejemplos de paneles de alas que se caían durante las competiciones, causando víctimas. Por lo tanto, alguna vez estuvo prohibido agregar componentes aerodinámicos a los autos de carreras. Pero con el desarrollo del sistema teórico aerodinámico y el auge de la tecnología informática, es posible que el equipo lleve a cabo una investigación en profundidad sobre el impacto de la aerodinámica en los coches de carreras.
Varios tipos de resistencia que afectan la velocidad de los coches de carreras
Aerodinámica parece ser un nombre muy problemático: ¿Puede el aire generar también electricidad? La fuerza aerodinámica mencionada aquí en realidad no convierte el aire en la fuerza motriz del auto de carreras, sino que convierte la presión del aire generada por el flujo de aire a alta velocidad cuando el auto de carreras corre a alta velocidad en una fuerza que es beneficiosa para el coche de carreras. Primero, analicemos qué fuerzas constituyen la resistencia al automóvil durante el movimiento del automóvil.
En primer lugar, todos los líquidos y gases están formados por partículas que pueden deslizarse. Cuando un líquido o gas pasa sobre una superficie, la capa de partículas más cercana a la superficie se adhiere a la superficie. Dado que la capa de partículas en la superficie del objeto es relativamente estacionaria, las partículas sobre esta capa se desaceleran. Asimismo, el movimiento de las partículas sobre esta capa se ve afectado, lo que hace que la velocidad de deslizamiento se reduzca, pero en menor medida. Cuanto más lejos de la superficie la capa de partículas se ve menos afectada hasta que se mueven como partículas libres. La capa que ralentiza la velocidad de deslizamiento de las partículas se llama capa crítica. Aparece en la superficie de un objeto y crea fricción superficial. Los lectores que hayan estudiado física en la escuela secundaria y tengan una comprensión preliminar de la mecánica molecular deberían comprender fácilmente este punto.
La fuerza necesita cambiar la dirección del movimiento molecular, por lo que se forma una segunda fuerza, llamada tensión de forma. En aerodinámica, el tamaño también es un factor. Cuanto más pequeña es la parte delantera del coche (cuando ves la parte del coche que está delante), más pequeña es el área que tienen las moléculas para cambiar de dirección, lo que facilita su paso. Una pequeña parte de la potencia del motor es absorbida por el aire que fluye y la mayor parte se convierte en potencia para acelerar en la pista. Con un motor determinado, un coche puede ir más rápido.
Pero no es tan simple: la forma del objeto también es importante, ya que determina la dificultad para las moléculas en moverse. El aire tiene la costumbre de aferrarse a las superficies, por lo que tirar de un plato de superficie lisa a través del flujo de aire es mucho más difícil que tirar de un cuenco curvo como una nariz. El flujo de aire volteará los lados del tazón pero se adherirá al lado liso del plato. Los estudios aerodinámicos muestran que los objetos con forma de lágrima se mueven más fácilmente a través del flujo de aire. La cabeza redonda está en el frente y la punta en la parte posterior. A la mayoría de las personas les puede resultar extraño.
Cuando el flujo de aire sigue una curva (o cambia de dirección), su movimiento no cambia mientras sea fino. Pero cuando la curva tiene cierta forma, o la dirección cambia repentinamente (como encontrarse con un objeto afilado), el flujo de aire se dividirá en dos en la superficie del objeto y no habrá suficiente energía para atravesar la superficie. Esta situación debe evitarse porque la capa crítica es tan gruesa que el flujo de aire del frente se ralentizará y actuará como una superficie sólida que bloquea el flujo de aire detrás de ella. Por tanto, los objetos punzantes sólo pueden crear una mayor resistencia a través del flujo de aire.
Entonces, ¿es ideal que un objeto redondo se mueva en el aire? ¡equivocado! Cuando una pelota se mueve por el aire, el flujo de aire inicialmente sigue el arco de la pelota. Pero después de pasar el radio máximo de la pelota, el flujo de aire todavía persigue el arco de la pelota, pero en este momento la superficie de la pelota se ha reducido drásticamente. Esto es lo más difícil para el flujo de aire, por lo que cuando el flujo de aire pasa por el punto del radio, ya no se adhiere a la superficie de la esfera y se ensucia. El flujo de aire disperso girará desordenadamente y producirá menos presión que el flujo de aire en movimiento libre, por lo que generará gravedad para dificultar el movimiento de la esfera y ralentizar su movimiento. En cuanto al objeto en forma de lágrima mencionado anteriormente, cuando el flujo de aire pasa a través de un arco en forma de esfera y alcanza el punto crítico de falla, el objeto en forma de lágrima tendrá una superficie inclinada para soportar el movimiento del flujo de aire. Los objetos se mueven limpiamente a través del flujo de aire con una resistencia mínima.
Para dar un ejemplo simple: una gota que cuelga en caída libre debe tener forma de lágrima, porque dicha resistencia del aire es la más pequeña. Si es solo una simple esfera, solo causará una mayor resistencia.
El último tipo de estrés es el estrés inducido, un producto inevitable de la presión descendente, en forma de vórtices de aire, que se pueden ver claramente en el vapor de agua que fluye por la parte trasera de un auto de carreras en un día lluvioso. día.
La inspiración del diseño de componentes aerodinámicos clave, como las alas: obtener fuerza aerodinámica del flujo de aire.
Mucha gente se preguntará inmediatamente: dado que existe tensión en la forma, ¿por qué la forma del coche de F1 no tiene forma de lágrima completa? ¿No es esta la menor resistencia? Sí, pero no del todo. Lo primero que deben considerar los diseñadores de carrocerías de F1 es obtener suficiente carga aerodinámica para que los neumáticos tengan suficiente agarre y luego resistencia. Esto se debe a que: en primer lugar, los coches de carreras a menudo necesitan acelerar y desacelerar rápidamente, y en este momento se debe garantizar suficiente agarre al suelo, en segundo lugar, cuando el coche cambia de dirección mientras conduce, se ve fácilmente afectado por la fuerza centrífuga; En este momento, es difícil mantener el agarre de los neumáticos del automóvil en el suelo confiando únicamente en el peso de la carrocería del vehículo, y es fácil perder el control. Cuanto mayor sea el agarre, más rápido irá el coche en las curvas. En tercer lugar, el motor de un coche de F1 puede generar suficientes caballos de fuerza para permitirle alcanzar altas velocidades a pesar de una resistencia considerable. Con la acción combinada de estos tres factores, el agarre se convierte en el factor número uno. Entonces, ¿cómo se obtiene la carga aerodinámica del aire en movimiento?
La respuesta es realmente muy sencilla, basta con mirar las alas del avión. En aerodinámica, la función de un ala es generar sustentación cuando fluye el aire. El principio es el siguiente: cuando el aire fluye sobre el ala, una parte fluye por encima del panel del ala y otra parte fluye desde abajo. Finalmente, las dos partes de aire se vuelven a unir detrás del panel del ala. Las alas de los aviones están diseñadas de modo que la superficie superior del ala sea más larga que la superficie inferior, de modo que la velocidad del aire sobre el ala sea más rápida que la velocidad del aire debajo del ala. Un sabio llamado Bernoulli descubrió que a medida que aumenta la velocidad del aire, su densidad disminuye y, en consecuencia, la presión del aire disminuye. De esta manera, la presión del aire sobre las alas del avión es menor que la presión del aire debajo, creando sustentación.
¿Qué pasa con las carreras? ——Siempre que volteemos la forma del ala, se puede generar presión hacia abajo, como se muestra en la figura (tenga en cuenta la forma de la sección transversal de los componentes aerodinámicos clave, como los paneles del ala en forma de lágrima).
Esto parece un principio simple, pero nadie pensó en ello hasta finales de los años 1970. Esta persona es el actual diseñador jefe de McLaren-Adrian Newey. Este fue el tema de su tesis cuando se graduó en la Universidad de Southampton. En ese momento todavía era un adolescente, pero esta idea innovadora lo convirtió en el creador de la combinación del diseño de un auto de F1 y la aerodinámica.
Con el coche tan cerca del suelo, pueden entrar en juego principios similares a medida que se acerca cada vez más al suelo. A principios de la década de 1980, los autos de carreras Lotus tenían un chasis con esta forma, que en ese momento se llamaba chasis de "efecto suelo" y logró resultados notables. Posteriormente, debido a la prohibición de competir, no hubo más desarrollo.
Exploración del diseñador de carrocerías de coches de carreras
Los diseñadores de carrocerías deben analizar claramente varios factores que afectan el rendimiento aerodinámico. Afortunadamente, según años de experiencia, el rendimiento aerodinámico de un coche de carreras se ve afectado por los siguientes factores: densidad del aire, velocidad del aire, área de la sección transversal de la superficie de carga y coeficiente de sustentación (o coeficiente de resistencia).
La mayor influencia es la velocidad, porque la fuerza es proporcional al cuadrado de la velocidad, lo que significa que si la velocidad aumenta tres veces, ¡la fuerza aumenta nueve veces! La densidad del aire está relacionada con la temperatura, la humedad y la altitud, por lo que el ajuste aerodinámico del coche debe hacer referencia a la temperatura, humedad del aire y altitud de la pista en ese momento.
El coeficiente de sustentación refleja la capacidad de la superficie que soporta la fuerza para generar sustentación (arrastre) y generalmente está determinado por la suavidad y la forma del material. Son unos pocos números aparentemente simples, pero las connotaciones que representan son todo menos simples. La búsqueda del ajuste aerodinámico perfecto (que aporta máxima carga aerodinámica y mínima resistencia) nunca se detiene. A veces, incluso un maestro como Newey puede no ser capaz de encontrar la mejor solución para el coche y las condiciones de la pista en ese momento.