La carga aerodinámica es una fuerza de sustentación descendente creada por las características aerodinámicas de un vehículo. Si el vehículo es un automóvil, el propósito de la carga aerodinámica es permitir que el automóvil se desplace más rápido al aumentar la fuerza vertical sobre los neumáticos, creando así más agarre . Si el vehículo es una aeronave de ala fija, el propósito de la carga aerodinámica sobre el estabilizador horizontal es mantener la estabilidad longitudinal y permitir que el piloto controle la aeronave en cabeceo.
El mismo principio que permite que un avión se eleve del suelo creando sustentación a partir de sus alas se utiliza a la inversa para aplicar una fuerza que presiona el coche de carreras contra la superficie de la pista. Este efecto se conoce como "agarre aerodinámico" y se distingue del "agarre mecánico", que es una función de la masa del coche, los neumáticos y la suspensión. La creación de carga aerodinámica mediante dispositivos pasivos solo se puede lograr a costa de una mayor resistencia aerodinámica (o fricción ), y la configuración óptima es casi siempre un compromiso entre los dos.
La configuración aerodinámica de un coche puede variar considerablemente entre pistas de carreras, dependiendo de la longitud de las rectas y los tipos de curvas. Debido a que es una función del flujo de aire por encima y por debajo del coche, la carga aerodinámica aumenta con el cuadrado de la velocidad del coche y requiere una cierta velocidad mínima para producir un efecto significativo. Algunos coches han tenido una aerodinámica bastante inestable, de modo que un pequeño cambio en el ángulo de ataque o la altura del vehículo puede causar grandes cambios en la carga aerodinámica. En los peores casos, esto puede hacer que el coche experimente elevación, no carga aerodinámica; por ejemplo, al pasar por un bache en una pista o ir a rebufo en una cresta: esto podría tener algunas consecuencias desastrosas, como el Mercedes-Benz CLR de Mark Webber y Peter Dumbreck en las 24 Horas de Le Mans de 1999 , que volcó espectacularmente después de seguir de cerca a un coche de la competencia en un montículo.
Se pueden utilizar dos componentes principales de un coche de carreras para crear carga aerodinámica cuando el coche se desplaza a velocidad de carrera:
La mayoría de las fórmulas de carreras prohíben los dispositivos aerodinámicos que se puedan ajustar durante una carrera, excepto durante las paradas en boxes .
La fuerza descendente ejercida por un ala se expresa generalmente en función de su coeficiente de sustentación :
dónde:
En ciertos rangos de condiciones de operación y cuando el ala no está en pérdida, el coeficiente de sustentación tiene un valor constante: la carga aerodinámica es entonces proporcional al cuadrado de la velocidad aerodinámica.
En aerodinámica, es habitual utilizar el área proyectada del ala vista desde arriba como superficie de referencia para definir el coeficiente de sustentación.
La forma redondeada y cónica de la parte superior de un automóvil está diseñada para cortar el aire y minimizar la resistencia del viento. [ cita requerida ] Se pueden agregar piezas detalladas de carrocería en la parte superior del automóvil para permitir que un flujo de aire suave llegue a los elementos que crean carga aerodinámica (por ejemplo, alas o alerones y túneles debajo de la carrocería). [ cita requerida ]
La forma general de un automóvil se asemeja a un ala de avión. Casi todos los automóviles de carretera producen sustentación aerodinámica como resultado de esta forma. [1] Hay muchas técnicas que se utilizan para contrarrestar esta sustentación. Mirando el perfil de la mayoría de los automóviles de carretera, el parachoques delantero tiene la distancia al suelo más baja, seguido por la sección entre los neumáticos delanteros y traseros, y seguido por un parachoques trasero, generalmente con la distancia al suelo más alta. [ cita requerida ] Usando este diseño, el aire que fluye debajo del parachoques delantero se restringirá a un área de sección transversal inferior y, por lo tanto, se logrará una presión más baja. [ cita requerida ] La carga aerodinámica adicional proviene de la inclinación (o ángulo) de la carrocería del vehículo, que dirige el aire de la parte inferior hacia arriba y crea una fuerza hacia abajo, lo que aumenta la presión en la parte superior del automóvil porque la dirección del flujo de aire se acerca más a la perpendicular a la superficie. [ cita requerida ]
El volumen no afecta la presión del aire porque no es un volumen cerrado, a pesar de la idea errónea común. [ cita requerida ] Los autos de carrera amplifican este efecto agregando un difusor trasero para acelerar el aire debajo del auto frente al difusor y aumentar la presión del aire detrás de él, disminuyendo la estela del auto. [ cita requerida ] Otros componentes aerodinámicos que se pueden encontrar en la parte inferior para mejorar la carga aerodinámica y/o reducir la resistencia incluyen divisores y generadores de vórtices. [ cita requerida ]
Algunos coches, como el DeltaWing , no tienen alas y generan toda su carga aerodinámica a través de su carrocería. [ cita requerida ]
La magnitud de la carga aerodinámica creada por los alerones o spoilers de un automóvil depende principalmente de tres cosas:
Una superficie más grande crea mayor carga aerodinámica y mayor resistencia . La relación de aspecto es el ancho del perfil aerodinámico dividido por su cuerda. Si el ala no es rectangular, la relación de aspecto se escribe AR=b2 / s, donde AR=relación de aspecto, b=envergadura y s=área del ala. Además, un mayor ángulo de ataque (o inclinación) del ala o alerón crea más carga aerodinámica, lo que pone más presión sobre las ruedas traseras y crea más resistencia.
La función de los perfiles aerodinámicos en la parte delantera del coche es doble. Crean una carga aerodinámica que mejora el agarre de los neumáticos delanteros, al mismo tiempo que optimizan (o minimizan las perturbaciones) el flujo de aire hacia el resto del coche. Los alerones delanteros de un coche de ruedas abiertas sufren modificaciones constantes a medida que se recopilan datos de una carrera a otra, y se personalizan para cada característica de un circuito en particular (ver las fotos superiores). En la mayoría de las series, los alerones están diseñados incluso para ajustarse durante la propia carrera, cuando se realiza el mantenimiento del coche.
El flujo de aire en la parte trasera del coche se ve afectado por los alerones delanteros, las ruedas delanteras, los espejos, el casco del conductor, los pontones y el escape. Esto hace que el alerón trasero sea menos eficiente aerodinámicamente que el alerón delantero. Sin embargo, debido a que debe generar más del doble de carga aerodinámica que los alerones delanteros para mantener la maniobrabilidad y equilibrar el coche, el alerón trasero suele tener una relación de aspecto mucho mayor y, a menudo, utiliza dos o más elementos para aumentar la cantidad de carga aerodinámica creada (ver foto de la izquierda). Al igual que los alerones delanteros, cada uno de estos elementos a menudo se puede ajustar cuando se realiza el mantenimiento del coche, antes o incluso durante una carrera, y son objeto de atención y modificación constantes.
En parte como consecuencia de las normas destinadas a reducir la carga aerodinámica de los alerones delanteros y traseros de los monoplazas de F1, varios equipos han buscado otros lugares para colocar los alerones. Los alerones pequeños montados en la parte trasera de los pontones de los monoplazas comenzaron a aparecer a mediados de 1994, y eran prácticamente estándar en todos los monoplazas de F1 de una forma u otra, hasta que todos esos dispositivos fueron prohibidos en 2009. Han surgido otros alerones en varios otros lugares del monoplaza, pero estas modificaciones normalmente sólo se utilizan en circuitos donde se busca más la carga aerodinámica, en particular los sinuosos circuitos de Hungría y Mónaco.
El McLaren Mercedes MP4/10 de 1995 fue uno de los primeros coches en incorporar un "midwing", aprovechando un vacío legal en la normativa para montar un alerón sobre la tapa del motor. Desde entonces, todos los equipos de la parrilla han utilizado este sistema en algún momento u otro, y en el Gran Premio de Mónaco de 2007, todos los equipos, salvo dos, lo utilizaron. Estos midwings no deben confundirse con las cámaras montadas en el arco antivuelco que todos los coches llevan de serie en todas las carreras, ni con los controladores de flujo en forma de cuerno de toro que utilizó por primera vez McLaren y, desde entonces, BMW Sauber, cuya función principal es suavizar y redirigir el flujo de aire para que el alerón trasero sea más eficaz en lugar de generar carga aerodinámica por sí mismos.
Una variante de este modelo fueron los "X-wings", alerones altos montados en la parte delantera de los pontones que utilizaban un hueco similar al de los alerones centrales. Tyrrell los utilizó por primera vez en 1997 y la última vez en el Gran Premio de San Marino de 1998, cuando Ferrari, Sauber, Jordan y otros ya habían utilizado este tipo de sistema. Sin embargo, se decidió prohibirlos en vista de la obstrucción que causaban durante el reabastecimiento de combustible y el riesgo que representaban para el conductor en caso de que un coche volcara. [ cita requerida ]
Se han probado varias otras alas adicionales de vez en cuando, pero hoy en día es más común que los equipos busquen mejorar el rendimiento de las alas delanteras y traseras mediante el uso de varios controladores de flujo como los "bull-horns" mencionados anteriormente utilizados por McLaren.
